Каковы недостатки использования стабилитрона вместо линейного стабилизатора напряжения?

1) При использовании стабилитрона в качестве элемента регулирования, как в этой схеме:

недостатком является то, что схема должна быть настроена таким образом, чтобы через стабилитрон всегда протекал некоторый ток. Стабилитрон действует как шунтирующий регулятор, он «сжигает» «остаточный» ток, вместо того, чтобы ограничивать ток, протекающий, когда требуется небольшой ток. Когда нагрузка не потребляет ток, весь ток, не потребляемый нагрузкой, должен проходить через стабилитрон. Это тратит силы. На практике эта схема подходит только для нагрузок, которые потребляют малый ток и, желательно, также несколько постоянный ток.

Зачем мне тогда использовать эту схему?

Ну это дешево .

Линейный регулятор, такой как LM7805, или схема на основе стабилитрона + транзистора, подобная этой:

образуют последовательный регулятор (не шунтирующий). Преимущество этих регуляторов в том, что они потребляют ровно столько тока, сколько необходимо. Когда нагрузка не потребляет ток, используется лишь небольшое количество энергии.

Эти схемы немного дороже, так как требуется транзистор или микросхема стабилизатора напряжения, такая как LM7805.

2) Сказать, что LM7805 - плохой регулятор, потому что он просто "сжигает" избыточную мощность, не говорит всей истории . LM7805 (и LM317 и подобные) по-прежнему часто используются, поэтому у них явно есть свое предназначение.

Дело в том, что для нагрузок, которым не требуется большой ток, скажем, до 100 мА, эти линейные регуляторы являются хорошим выбором .

Только когда вам нужен (намного) больший ток, тогда он может быть более эффективным (меньше энергии превращается в тепло), когда используется импульсный регулятор . Типичный пример использования импульсного стабилизатора — преобразование 12 В (автомобильный или солнечный аккумулятор) в 5 В (USB) для питания гаджетов. Тогда может понадобиться ток до 2 А. При 12 В, 2 А линейный регулятор должен будет «сжечь» 7 В при 2 А, это 14 Вт, что требует существенного радиатора. Даже дешевый импульсный регулятор, такой как LM2596, может работать намного эффективнее без большого радиатора.

Так что не думайте, что какое-то схемное решение всегда лучше другого. Это сложнее, чем это. Какое решение является наиболее оптимальным, зависит от того, что необходимо. Например, входное напряжение, ток в нагрузке, стоимость и т. д. В реальном мире инженеры используют все решения, которые я показал здесь, они выбирают то, которое лучше всего подходит для определенной ситуации.

Если я правильно понимаю, такое явление будет происходить только при параллельном подключении стабилитрона к нагрузке. Что, если я подключу стабилитрон к нагрузке параллельно?

Тогда у вас есть ситуация, которую вы описали. Диод Зенера должен пропускать или «шунтировать» весь ток, не потребляемый нагрузкой.

Кроме того, кто-то сказал, что линейный регулятор напряжения (например, LM7805) не является хорошим стабилизатором напряжения, так как мощность, рассеиваемая в нем, намного выше, чем в импульсном регуляторе напряжения.

Это хороший регулятор, потому что он хорошо регулирует напряжение, и это его работа. Это неэффективный регулятор , и импульсные регуляторы с этой точки зрения лучше.

Насколько я понимаю, мощность, рассеиваемая в линейном регуляторе напряжения, может быть рассчитана как падение напряжения x ток. Мощность, преобразованная в тепло.

Правильный. Но обратите внимание, что когда требуется небольшой ток, рассеиваемая мощность уменьшается пропорционально. Между тем рассеиваемая мощность Зенера будет увеличиваться с уменьшением нагрузки.

Что, если я последовательно подключу Zenzer Diode к нагрузке?

Затем ваша нагрузка получает фиксированное падение напряжения от источника питания. Допустим, у вас есть источник питания, который варьируется от 8 до 12 В, и вы включили последовательно стабилитрон на 4,7 В, тогда ваша нагрузка получит от 3,3 В до 7,3 В с этим источником питания. Это не будет считаться регулятором напряжения.

Это больше похоже на расширенный комментарий к ответу @Bimpelrekkie, чем на ответ сам по себе. Я просто обрисую еще пару случаев, когда линейный регулятор может иметь больше смысла, чем импульсный регулятор.

@Bimpelrekkie отметил, что линейный регулятор может иметь смысл, когда вы не потребляете много тока. Я бы добавил, что это также может иметь смысл, когда входное напряжение очень близко к выходному напряжению. Например, много лет назад я разработал небольшую схему, в которой использовались детали на 3,3 В, и ее нужно было подключить к системе, поддерживающей устройства шины CAN с питанием 3,5 В. Он мог (в худшем случае) потреблять около 2 ампер, но, поскольку падение составляло всего 0,2 вольта, максимальная мощность, рассеиваемая в регуляторе, составляла около 400 мВт. Это (как и большинство «штуков» CAN-шины) было в автомобиле, поэтому дополнительное энергопотребление само по себе не было большой проблемой.

Второй момент: линейный регулятор дает более «чистый» выходной сигнал. Импульсный регулятор в основном выполняет ШИМ, поэтому у вас есть импульсы напряжения, выходящие из переключателя. Затем вы пропускаете это через фильтр, чтобы сгладить его до чего-то, приближающегося к постоянному напряжению постоянного тока, но вы все равно получаете некоторую пульсацию. Уровень пульсаций может варьироваться в зависимости от тока, который вы потребляете (и, как правило, обратно пропорционален потреблению тока, поскольку уменьшение потребления означает уменьшение рабочего цикла). В частности, для некоторых аналоговых схем вам может понадобиться линейный стабилизатор, чтобы уменьшить пульсации до приемлемого уровня.

Объединение их вместе приводит к довольно распространенной конструкции: начните с импульсного регулятора, чтобы получить напряжение очень близко (но только немного выше), чем вам нужно. Затем выполните это с линейным регулятором, который просто должен удалить пульсацию. Между двумя из них вы можете получить чрезвычайно чистый выходной сигнал без пульсаций, но при этом свести рассеивание мощности к минимуму (хотя и за счет несколько большего и более сложного регулятора).

1. Если я правильно понимаю, такое явление будет происходить только при параллельном подключении стабилитрона к нагрузке. Что, если я последовательно подключу стабилитрон к нагрузке?

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Если вы используете стабилитрон последовательно, вы фактически дестабилизируете свою нагрузку. Поскольку падение стабилитрона (Vin-Vout) будет почти постоянным (если вы доберетесь до его рабочих условий), то остальная часть вашего нерегулируемого источника (Vin) будет сбрасываться в вашей нагрузке (Vout), что противоположно тому, что вы хотеть.

2. Кроме того, кто-то сказал, что линейные стабилизаторы напряжения (например, LM7805) не являются хорошими стабилизаторами напряжения, так как мощность, рассеиваемая в них, намного выше, чем в импульсных стабилизаторах напряжения. Насколько я понимаю, мощность, рассеиваемая в линейном стабилизаторе напряжения, может быть рассчитана как падение напряжения x ток = мощность, преобразованная в тепло.

LM7805 — очень старый регулятор. Тем не менее, он по-прежнему очень хорош в том, что он делает: обеспечивает регулятор с меньшим рассеиванием мощности , чем у стабилитрона, в небольшом корпусе и с небольшим количеством компонентов (что также означает небольшое пространство на плате, особенно с учетом того, когда он был впервые представлен). низкий выходной шум и очень дешево . Специально для дешевой части!

Если вы предпочитаете одну из этих функций, вы можете выбрать другие регуляторы. Если вам нужно еще более низкое рассеивание мощности, если ваши потребности в токе достаточно высоки , импульсный регулятор может быть лучшим вариантом, но у него есть недостаток, заключающийся в более высоком шуме и электромагнитных помехах, он дороже и требует больше внешних деталей, особенно индуктора. Если вы хотите меньше, есть другие, более новые регуляторы, которые лучше подходят, хотя они обычно поддерживают более низкие токи. Если вы хотите дешевле, стабилитрон может быть лучшим выбором, но вы получаете постоянное потребление тока, независимо от того, использует его ваша нагрузка или нет, что плохо, если вы работаете от батарей.

Говоря о более новых стабилизаторах, есть несколько линейных стабилизаторов, которые намного лучше, чем LM7805, по мощности, меньшему току покоя, размеру и другим вещам. Однако вряд ли они будут дешевле.

Что, если я последовательно подключу стабилитрон к нагрузке?

Это еще одно полезное применение стабилитрона в качестве элемента стабилизации напряжения . Образно можно назвать это сдвигом напряжения . Вот несколько объяснений этого трюка со схемой.

Во-первых, мы можем думать о стабилитроне как об источнике постоянного напряжения («батарее»), который последовательно подключен в противоположном направлении к источнику входного напряжения (источнику питания). Таким образом, его напряжение вычитается из входного напряжения... и когда последнее изменяется, напряжение на нагрузке будет изменяться таким же образом. Таким образом, «батарея» передает колебания входного напряжения на нагрузку. Эта конфигурация может использоваться для снижения напряжения постоянного входного напряжения. Выходные разделительные конденсаторы в усилителях переменного тока действуют таким образом.

Но диоды Зенера не являются настоящими источниками в том смысле, что они не производят энергию (напряжение); они потребляют энергию (напряжение). Так что правильнее считать их «динамическими резисторами». При изменении тока нагрузки IL они изменяют свое статическое сопротивление Rz таким образом, чтобы произведение обеих переменных (напряжение Vz) оставалось постоянным - Vz = IL.Rz. Например, если Il увеличивается, Rz уменьшается с той же скоростью... так что Vz = const.

Что, если я последовательно подключу стабилитрон к нагрузке?

Это еще одно полезное применение стабилитрона в качестве элемента стабилизации напряжения . Образно можно назвать это сдвигом напряжения . Вот несколько объяснений этого трюка со схемой.

«Батарея». Во-первых, мы можем думать о стабилитроне как об источнике постоянного напряжения («батарее»), который последовательно подключен в противоположном направлении к источнику входного напряжения (источнику питания). Таким образом, его напряжение вычитается из входного напряжения... и когда последнее изменяется, напряжение на нагрузке будет изменяться таким же образом. Таким образом, «батарея» передает колебания входного напряжения на нагрузку. Эту конфигурацию можно использовать для снижения напряжения постоянного входного напряжения или для «сдвига вниз» напряжения источника переменного напряжения (таким образом действуют выходные разделительные конденсаторы в усилителях переменного тока). Обратите внимание, что входное напряжение можно только понизить, в отличие от реальной батареи.

«Динамический резистор». Но диоды Зенера не являются настоящими источниками в том смысле, что они не производят энергию (напряжение); они потребляют энергию (напряжение). Так что правильнее считать их «динамическими резисторами». При изменении тока нагрузки IL они изменяют свое статическое сопротивление Rz таким образом, чтобы произведение обеих переменных (напряжение Vz) оставалось постоянным - Vz = IL.Rz. Например, если Il увеличивается, Rz уменьшается с той же скоростью... так что Vz = const.

«Динамический делитель напряжения». С этой еще более сложной точки зрения комбинацию стабилитрона и нагрузки можно рассматривать как «динамический делитель напряжения». Когда сопротивление нагрузки RL изменяется, сопротивление Зенера изменяется в том же направлении, поэтому отношение делителя Rz/(RL + Rz) = const.