Калькулятор резистора стабилитрона

Потери в резисторе	207 мВт
Потери в стабилитроне	153 мВт

Как выбрать резистор для стабилитрона

Выводной резистор и стеклянный стабилитрон с катодной полосой на светлом фоне

В простом параметрическом стабилизаторе резистор стоит последовательно с источником, а стабилитрон включён в обратном направлении параллельно нагрузке. Ток резистора делится между нагрузкой и стабилитроном. Когда потребление растёт, стабилитрону остаётся меньше тока; когда нагрузку отключают, через него проходит весь ток резистора. Поэтому одного напряжения питания для подбора недостаточно.

Калькулятор находит допустимый диапазон сопротивления для заданных границ питания и нагрузки. Нижняя граница защищает от превышения введённого максимального тока стабилитрона, верхняя сохраняет его минимальный рабочий ток. Обе границы включены. Расчёт предполагает постоянное напряжение Vz и установившийся режим: изменения напряжения реального стабилитрона с током и температурой здесь не моделируются.

Пример 1. Питание от 9 до 12 В. Для стабилитрона 5,1 В, нагрузки от 0 до 5 мА и разрешённого тока Iz от 2 до 30 мА подходит сопротивление от 230 до 557,143 Ом. При 230 Ом, питании 12 В и отключённой нагрузке ток стабилитрона достигает 30 мА. На верхней границе, при питании 9 В и нагрузке 5 мА, остаётся ровно 2 мА.

Почему у сопротивления две границы

R_{\min}=\frac{U_{\mathrm{in,max}}-U_Z}{I_{\mathrm{L,min}}+I_{\mathrm{Z,max}}}

R_{\max}=\frac{U_{\mathrm{in,min}}-U_Z}{I_{\mathrm{L,max}}+I_{\mathrm{Z,min}}}

Для нижней границы берётся наибольшее питание и наименьшая нагрузка. Это сочетание оставляет стабилитрону самый большой ток. Если сопротивление уменьшить ещё, установленный предел Iz будет превышен. Для верхней границы берутся наименьшее питание и наибольшая нагрузка: после питания нагрузки должен остаться хотя бы заданный минимальный ток стабилизации.

В формулах токи измеряются в амперах, сопротивление получается в омах. Поля формы принимают миллиамперы, поэтому при вычислении отношения напряжения к введённому току применяется множитель 1000. Например, 6,9 В / 30 мА дают 0,23 кОм, или 230 Ом. Проверить связь тока, напряжения и сопротивления отдельно можно в калькуляторе закона Ома.

Оба крайних сочетания считаются возможными независимо. Если минимальное питание встречается только при небольшой нагрузке, прямоугольный диапазон условий может оказаться строже реального режима. Для связанных состояний лучше отдельно проверить каждое состояние и найти общее пересечение допустимых сопротивлений. Просто заменить крайние значения средними нельзя: тогда исчезнет проверка наиболее тяжёлых режимов.

Что означают потери мощности в результате

P_R=\frac{(U_{\mathrm{in}}-U_Z)^2}{R},\qquad P_Z=U_Z I_Z

Результат показывает наибольшие потери по всему допустимому диапазону сопротивлений. Они достигаются при нижней границе R и максимальном питании; для стабилитрона также нужна минимальная нагрузка. Контекст «Максимумы при R = … Ом» относится сразу к обеим мощностям. Это выделяющееся тепло, а не автоматически выбранная мощность детали из магазина.

Пример 2. Выбран резистор 390 Ом. В условиях первого примера ток стабилитрона будет от 5 до 17,692 мА. Наибольшие потери резистора составят 122,077 мВт, стабилитрона 90,231 мВт. Карточка при этом показывает общие максимумы 207 и 153 мВт, относящиеся к нижней границе 230 Ом. После выбора другого сопротивления фактические потери нужно пересчитать для этого номинала.

Допустимая мощность из документации зависит от температуры и условий монтажа. Для выводного компонента могут быть оговорены длина выводов и их температура, для поверхностного монтажа важна площадь меди. Значение для короткого импульса нельзя использовать как допустимый непрерывный нагрев. В поле максимального Iz нужен ток, допустимый именно в рассматриваемых длительных условиях.

Как нагрузка меняет допустимый номинал

Пример 3. Работа без нагрузки. При питании от 12 до 15 В, Vz = 5,1 В и токе стабилитрона от 5 до 30 мА задаём оба тока нагрузки равными нулю. Получается диапазон от 330 до 1380 Ом. Общие максимумы потерь равны 297 мВт на резисторе и 153 мВт на стабилитроне. Даже без полезной нагрузки схема постоянно потребляет ток и нагревается.

Пример 4. Нагрузка всегда потребляет хотя бы 4 мА. При питании от 10 до 14 В, Vz = 6 В, нагрузке от 4 до 10 мА и Iz от 2 до 30 мА диапазон равен 235,294–333,333 Ом. Если эту нагрузку всё же отключить, через стабилитрон с нижним сопротивлением пойдёт 34 мА вместо разрешённых 30 мА. Ненулевая минимальная нагрузка должна быть гарантирована, включая запуск и режим сна.

Пример 5. Подходящего сопротивления нет. Питание от 9 до 15 В, Vz = 5,1 В, нагрузка от 0 до 20 мА и Iz от 5 до 30 мА требуют одновременно R ≥ 330 Ом и R ≤ 156 Ом. Такой резистор не существует. Среднее этих чисел не становится компромиссным решением: оно нарушает оба ограничения в соответствующих крайних режимах.

Пример 6. Границы совпали. При постоянном питании 10 В, Vz = 5 В, нагрузке от 0 до 10 мА и Iz от 5 до 15 мА остаётся единственное сопротивление 333,333… Ом. Максимальные потери на каждой детали равны 75 мВт. Математически решение есть, но запаса на допуск резистора уже нет. Округление до ближайшего номинала может нарушить одно из условий.

Где заканчивается эта модель

Реальный стабилитрон не удерживает абсолютно постоянное напряжение. Его характеристика имеет наклон: изменение тока вызывает изменение Vz, которое описывают дифференциальным сопротивлением. На напряжение также влияют начальный допуск и температура. Поэтому рассчитанный интервал служит подбором при фиксированном Vz; он сам по себе не гарантирует точность выходного напряжения во всём диапазоне.

У светодиода тоже бывает последовательный ограничивающий резистор, но нагрузка не делит ток с обратновключённым стабилитроном. Для такой цепи нужен расчёт резистора светодиода. Здесь предполагается именно параллельная стабилизация: если питание опускается до Vz или ниже, поддержать положительный ток стабилитрона через балластный резистор уже невозможно.

Паспортные токи, допуски и переходные режимы

Перед выбором детали сверьте условия измерения в её документации с реальными режимами устройства.

Можно ли принять ток IZT за минимальный ток стабилизации?

Не автоматически. IZT обозначает ток, при котором измеряли и нормировали напряжение стабилитрона. Минимальный ток для вашей задачи определяется характеристикой детали и допустимым отклонением напряжения. Если точность важна, нужно проверить напряжение при выбранном нижнем токе, а не считать любое значение ниже IZT запрещённым или любой ток выше него достаточным.

Что поставить в минимальный ток нагрузки, если устройство иногда засыпает?

Укажите наименьшее возможное потребление во всех рассматриваемых состояниях, включая сон и запуск. Если нагрузку можно отключить полностью, это 0 мА. Потребление работающего устройства не подходит для этого поля, когда в другом режиме оно уменьшается: оставшийся ток перейдёт в стабилитрон.

Как учесть допуск резистора ±5%?

Весь диапазон сопротивления детали должен лежать внутри результата. Для первого примера номинал должен быть не ниже 230 / 0,95 = 242,105 Ом и не выше 557,143 / 1,05 = 530,612 Ом. Резистор 390 Ом ±5% даёт 370,5–409,5 Ом и подходит при остальных принятых условиях. Допуск Vz проверяется отдельно.

Что менять, если допустимого диапазона нет?

Проверьте, действительно ли возможны все введённые крайние режимы. Затем можно пересмотреть размах питания, максимальную нагрузку или выбрать другую схему стабилизации. Увеличивать допустимый Iz в форме имеет смысл только вместе с подтверждением характеристик детали и отвода тепла. Само изменение числа не повышает допустимый ток компонента.

Можно ли взять резистор с мощностью ровно как в результате?

Сравнивать нужно расчётные потери с допустимой мощностью детали при фактической температуре и монтаже. Номинальная мощность относится к указанным производителем условиям и может уменьшаться при нагреве. Универсального коэффициента запаса для всех корпусов здесь нет. Для выбранного сопротивления выше нижней границы потери обычно будут меньше показанного общего максимума.

Учитываются ли пульсации питания и скачки нагрузки?

Границы питания позволяют проверить медленно меняющиеся установившиеся состояния, но не предсказывают форму пульсаций на выходе. Для этого нужны динамические характеристики стабилитрона, ёмкости и параметры нагрузки. Короткие выбросы, энергия импульса и переходный нагрев также не следуют из двух пределов постоянного напряжения.

Подходит ли расчёт для TL431 или защитного ограничителя выбросов?

У TL431 есть отдельный управляющий вход, собственные требования к току катода и устойчивости, поэтому одной модели постоянного Vz недостаточно для полного расчёта. Для ограничителя выбросов важны импульсный ток, длительность и энергия. Эта форма предназначена для простого стабилитронного стабилизатора в длительном установившемся режиме.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.