7. DIÓDA- STABILIZÁTOR A DELIČ NAPÄTIA, DELIČ S KOMBINÁCIOU SPÍNAČA

 

7.1  Stabilizátory napätia so stabilizačnými (Zenerovými) diódami

 

       Pre napájanie elektronických zariadení s malým prúdom a malými požiadavkami na stabilitu jednosmerného napätia, sa požívajú jednoduché zapojenia so stabilizačnými diódami - Zenerovými diódami. Stabilizátor jednosmerného napätia je obvod, ktorý na výstupe drží konštantné napätie pri zmenách vstupného napätia a zmenách záťažného prúdu. Niektoré kremíkové plošné diódy využívajú pre stabilizáciu napätia závernú polarizáciu PN priechodu, pri ktorej pri určitých technologických podmienkach vzniká nedeštrukčný Zenerov jav alebo lavínová ionizácia - lavínový prieraz, podľa šírky priechodu a koncentrácií prímesí. V praxi sa mechanizmus prierazu nerozlišuje a takéto diódy sa zjednodušene nazývajú Zenerové diódy – ZD.

 U_{F ­}- napätie   v priepustnom   smere (0,7 V)

 U_Z - Zenerové napätie

  I_OZ - prúd začiatku oblasti stabilizácie

  R_D  -  dynamický odpor v oblasti stabilizácie

  I_ZMAX - max. prúd v závernom smere

 

 

 

  Obr.7.1.1 VACH Zenerovej diódy

 

ZD sa vyrábajú s napätím U_Z  = 3 V až xx V, najkvalitnejšie sú ZD s napätím 6 V.

 

Náhradná schéma ZD v oblasti stabilizácie napätia

 

Obr.7.1.2 Náhradná schéma ZD v oblasti stabilizácie napätia

 

Jednoduchý jednostupňový stabilizátor so Zenerovou diódou a grafické riešenie obvodu

 

Obr.7.1.3 Jednoduchý jednostupňový stabilizátor so Zenerovou diódou

 

Bod A: stav naprázdno I₂  = 0 a U₁ = U_{1 min}

Bod B: R_Z = R_Zmin, U₁  = U_1min,

Bod C: stav naprázdno a U₁  =  U_1max

Bod D: R_Z  = R_Z min, U₁  = U_1max

Z obrázku je možné určiť všetky obvodové veličiny, napr. v bode A platí:

U₂  = U_Z + I_A. R_d  , I_A   =  ( U_{1 min}  - U_Z   ) / R ,  U_R   = U_1min –  U₂  U_{1  min}  – U_Z  , I_ZD  =  I_A , I_R  =  I_ZD

 

Pre činiteľ stabilizácie pri zmene vstupného napätia platí:    

 

 

 

 

Dvojstupňový stabilizátor     

                                     

                  

        U₂  = U_ZD2    (U_Z1 > U_Z2)

 

 

Obr.7.1.4 Dvojstupňový stabilizátor

 

     U ₂  =  U_{Z 1}   + U_{Z 2}

 

 

 

Obr.7.1.5 Stabilizátor so sériovo radenými diódami

 

       V niektorých zapojeniach stabilizátorov sa používajú dve ZD alebo kombinácia ZD a bežnej diódy. Dôvodom radenia viacerých diód môže byť, že s požadovaným výstupným napätím sa ZD nevyrába alebo získanie lepších vlastností zapojenia.

Obr.7.1.6 Stabilizátor pre získanie presnejšieho požadovaného napätia

 

Obr.7.1.7 Stabilizátor pre získanie presnejšieho požadovaného napätia so ZD a LED

---

 

7.2 Zenerové diódy ako deliče napätia so súčasnou funkciou spínača

 

Príklad použitia ZD pre vytvorenie symetrického napájania z nesymetrického zdroja

Obr.7.2.1 Príklad požitia ZD pre vytvorenie symetrického napájania z nesymetrického zdroja

 

       Zapojenie je vhodné a má dobrú energetickú účinnosť ak sú odoberané prúdy do záťaže malé, potom môže byť relatívne malý aj prúd cez ZD₁,  ZD₂ a môže byť zrovnateľný so záťažným prúdom.

 

Namiesto ZD by mohol byť použitý aj odporový delič s vytvorením umelej „nuly":

 

Obr.7.2.2  Príklad pre vytvorenie symetrického napájania z nesymetrického zdroja pomocou  odporového deliča

 

Hodnoty odporov R treba voliť tak, aby nimi prechádzajúci prúd bol aspoň 10 krát väčší ako špičkový cez záťaž.

 

Príklad použitia ZD na stotožňovanie potenciálov a zabezpečenia nuly

v jednosmerných zosilňovačoch s nesúmerným napájacím zdrojom

 

Obr.7.2.3 Principiálne zapojenie jednosmerného zosilňovača

 

       Prvky R_B1, R_B2, R_E, R_K, VT, tvoria zosilňovač v zapojení SE. Aby sa pripojením zdroja a záťaže nenarušil pokojový prac. bod tranzistora a pre zabezpečenie nuly, je zapojenie doplnené odporovými deličmi: R₁ - R₁', R₂ - R₂'. Ich úlohou je vytvoriť vzťažné potenciály:

U_A' = U_A , U_B' = U_B. Je výhodnejšie odpory R₁' a R₂' nahradiť zenerovými diódami. Zapojenie so ZD má výhodu v tom, že pre zmeny jednosmerného prúdu v okolí jednosmerného pracovného bodu sa dióda správa ako zapnutý spínač, premenlivému prúdu kladie malý dynamický odpor. Takýto zosilňovač má väčšie zosilnenie a účinnosť.

 

ZD vo viacstupňových js. zosilňovačoch

 

       ZD sa používajú vo viacstupňových jednosmerných zosilňovačoch (s jednosmernou väzbou) buď v kolektorových obvodoch tranzistorov alebo vo väzobných obvodoch medzi stupňami.

 

Obr.7.2.4 ZD vo viacstupňových js. zosilňovačoch

 

V súčinnosti s odporovými prvkami slúžia ZD ako deliče jednosmerného napätia pre nastavenie pokojových pracovných bodov.

Oproti rezistorom v tejto funkcii majú výhodu, že pre zmeny -signál predstavujú veľmi malý odpor - spínač.

Zapojenie ZD v zosilňovacom stupni

Obr. 7.2.5 Zapojenie ZD v zosilňovacom stupni

 

ZD zabezpečuje s odporom R_B nastavenie a stabilizáciu pokojového pracovného bodu.

 

Principiálne zapojenie sériového stabilizátora s tranzistorom, bez spätnej väzby

 

Obr.7.2.6 Principiálne zapojenie sériového stabilizátora s tranzistorom, bez spätnej väzby

 

ZD slúži ako zdroj referenčného napätia, jeho veľkosť určuje veľkosť výstupného napätia:  

U₂  = U_ZD  – U_BE

 

Sériový stabilizátor so zosilňovacím tranzistorom

 

Obr.7.2.7 Sériový stabilizátor so zosilňovacím tranzistorom

 

        Snímač odchýlky výstupného napätia tvorí odporový delič R₁, R₂ s deliacim pomerom

 p = R₂  /( R₁ + R₂ ). Požadovanú veľkosť výstupného napätia určuje Zenerovo napätie ZD₂ a deliaci pomer deliča p: U₂  = U _ZD2 /  p.

Zmenu výstupného napätia zosilňuje T₁, ktorý ďalej budí Darlingtonovú dvojicu T₂, T₃. Nech napr. poklesne U₂. Zmenší sa bázové napätie T₁, ten sa viac zatvorí a stúpne jeho kolektorové napätie a tým aj napätie bázy T₂, ten sa viac otvorí a s ním súčastne aj výkonový tranzistor T₃. Stúpne emitorový prúd T₃ a teda aj napätie U₂. Tendencia poklesu výst. napätia je hneď stabilizovaná. Ak vo vetve snímača nahradíme rezistor R₁ Zenerovou diódou ZD₁ stúpne deliaci pomer deliča pre zmeny napätia (p = 1), tým sa zvýši činiteľ stabilizácie. ZD₁ teda slúži pre nastavenie jednosmerného pracovného bodu tranzistora a pre zmeny U₂ predstavuje skoro skrat.

 

Potlačenie začiatku stupnice meracieho prístroja

 

Obr.7.2.8 Potlačenie začiatku stupnice meracieho prístroja

 

V dôsledku zapojenia diódy meria merací prístroj presne hodnoty napätia iba v rozsahu 8 až 10 V. Je to príklad deliča napätia.

 

Zapojenie prepínača anténnych zvodov

 

Obr.7.2.9 Zapojenie prepínača anténnych zvodov

 

ZD = KZ 206 /10 V

 

Zdroj napájania predzosilňovačov 12 V/100 mA je doplnený prepínačom napätia 10/12 V.

Napätie 10 V sa získa diódovým deličom D₁, D₂, D₃, R.

Pri napätí U =10 V je zapnutý tranzistor T₁ a relé KA. (ZD zatvorená)

Pri napätí 12 V je zapnutý tranzistor T₂ a relé KB. (ZD otvorená)

ZD sa využíva ako rozlišovateľ napätí 10 V a 12 V. Tranzistorové zapojenie realizuje klopný

obvod.

Príklad použitia ZD na modelovanie (simulovanie) nelineárnych VACH konkávneho tvaru

 

Obr. 7.2.10 Modelovanie nelineárnej VACH konkávneho tvaru

 

Modelovanie VACH konvexného tvaru je možné pomocou varistorových diód.

 

Simulovanie konkávnej VACH pomocou Zenerových diód, odvodenie VACH grafickou metódou

 

 

U₁ =3,2V;  U₂= 6,2 V; U₃ = 9,2 V           Predpokladáme ideálne ZD.

 

Obr.7.2.11 Simulovanie konkávnej VACH pomocou Zenerových diód, odvodenie VACH grafickou

      metódou

V₁ = U₁                                           

V₁ = U₁= 3,2 V                        V₂ = 8,6 V       V₃ = 10,4 V

 

Namerané hodnoty I:

 

U[V]	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5
I[mA]	0	0	0,03	0,13	0,39	0,69	1,1	1,5	1,95	2,5
U[V]	5,5	6	6,5	7	7,5	8	8,5	9	9,5	10
I[mA]	3	3,5	4	4,6	5	5,6	6	7,5	8,5	9,7
U[V]	10	11	12	13	15	–	–	–	–	–
I[mA]	12.1	16	27	36	52	–	–	–	–	–

 

Výpočet obvodových veličín pre U = 12 V

 

⁼

,  I=I_R3

 

Nameraný celkový prúd I pri U = 12 V je 27 mA.

---

 

7.3 Zdroje malých referenčných napätí a deliče s diódami

 

Ako stabilizátory menších napätí sa môžu používať aj bežné diódy a svetloemitujúce diódy LED.

 

Obr.7.3.1 VACH a náhradné schémy LED v oblasti stabilizácie

 

Stabilizátor napätia s bežnými diódami

 

Obr.7.3.2 Stabilizátor napätia s bežnými diódami

 

Stabilizátor malého napätia s LED

 

Obr.7.3.3 Stabilizátor malého napätia s LED

 

Zmenšenie (delič) napätia pomocou diód

 

                       U₂ = U₁ – 2U_D

Obr.7.3.4 Delič napätia pomocou diód

 

Výstupné napätie sa mení málo aj pri značnej zmene záťažného prúdu I_Z

 

Presná grafická metóda riešenia

 

Obr.7.3.5 Presná grafická metóda riešenia

 

Prúdy určíme z rovníc:  I_B=I_R+I_Z,     I_R=U_2B/R,     I_Z=U_2B/R_Z,     I_A=I_R=U_2A/R

 

Matematická metóda riešenia – linearizácia + náhradný model diódy

 

Obr.7.3.6 Linearizácia + náhradný model diódy

 

R_V  = (R .R_Z)/(R + R_Z),             U₂  = U₁ – 2U_D – I.2R_D,              I = (U₁–2U_D)/(R_V + 2 R_D)

 

 

Tranzistorový spínač (SE, NPN) s bezpečným vypnutím aj pri malom odstupe ovládacieho napätia

 

       

Nech U_1H ≥ 5 V, U_1L ≤ 2 V

       U_BES   0,7 V

       U_CES   0,2 V                                                

 

 

Obr.7.3.7 Tranzistorový spínač

 

Bez diód v zapojení nie je možné zabezpečiť spoľahlivý stav zapnutia a rozopnutia tranzistora. V zapojení s diódami sa začne tranzistor otvárať až pri napätí U₁  > 2U_D + U_BES  = 2,1 V.

Diódový obvod pre získanie veľmi malého regulovateľného napätia (napr. pre kompenzovanie nesymetrie vstupov operačných zosilňovačov)

 

Obr.7.3.8 Diódový obvod pre získanie veľmi malého regulovateľného napätia

 

        Diódový kompenzačný obvod zabezpečuje na výstupe v krajných polohách trimra napätie U = ±3  mV. Je to veľmi mäkký napäťový zdroj, jeho výstupný odpor R_V  > 220 kΩ a z toho vyplýva, že pripojením k invertujúcemu vstupu sa neovplyvní napäťový prenos (A_U = (R₁+R₂) / R₁  = 10) pretože R_V >>R₁ resp. R₂.

 

Príklad využitia vlastnosti diód v zosilňovačoch

 

       Na obrázku je schéma výkonového stupňa zosilňovača (Komplementárny emitorový sledovač so symetrickým napájaním, pracujúci v triede AB).

 

Obr.7.3.9 Schéma výkonového stupňa zosilňovača

 

Diódy D₁, D₁' slúžia pre nastavenie pokojového pracovného bodu do triedy AB. Zosilňovače v triede AB majú oproti zosilňovačom v triede B menšie skreslenie pri zosilňovaní malých vstupných signálov. Hodnoty R_B1, R_B2 musia byť také, aby boli diódy D₁, D₁' otvorené aj pri zápornej amplitúde vstupného  napätia.   Emitorové  odpory R_E1, R_E2 slúžia na stabilizáciu pokojového pracovného bodu (zamedzujú zvyšovanie zvyškového prúdu výkonových tranzistorov pri ich zohrievaní). Emitorové odpory znižujú výstupný výkon a účinnosť zapojenia. Pri väčších striedavých signáloch sa preto účinok zápornej spätnej väzby od týchto odporov blokuje otvorenými diódami D₂, D₂'. => Aj pri veľkých výstupných napätiach je veľkosť napätí na odporoch R_E1, R_E2 menšia ako U_D (0,7 V).                                                       

                       

 Poznámka: Použitie diód D₂, D₂' blokujúcich účinok ZSV pri spracovávaní striedavého signálu je výhodnejšie ako použitie blokujúcich kondenzátorov. Pre kvalitné blokovanie ZSV pri nízkych frekvenciách by museli mať kondenzátory veľkú kapacitu => veľké rozmery, vysokú cenu oproti diódam.