Diode zener cĩ thể sử dụng làm bộổn định điện áp như mạch ở hình 2.32. Mạch cho thấy sự thay đổi dịng tải tương ứng với sự thay đổi của điện trở tải. Mạch được thiết kếđể diode làm việc ở vùng đánh thủng, nên gần như một nguồn điện áp lý tưởng. Trong các ứng dụng thực tế, điện áp nguồn vS thay đổi và dịng tải cũng thay đổi. Nhiệm vụ thiết kế là chọn trị số của Ri
để cho phép diode duy trì mức điện áp ra gần như khơng đổi, ngay cả khi điện áp nguồn vào thay đổi, cũng như dịng tải thay đổi.
Thực hiện phân tích mạch hình 2.36, để xác định đúng trị số của Ri. Phương trình nút của mạch là:
Suy ra mức dịng zener iZ, là:
Các đại lượng cĩ thể thay đổi trong phương trình (2.62) là vS và iL. Để đảm bảo diode vẫn ở vùng điện áp hằng (vùng đánh thủng), ta hãy khảo sát hai mơ hình của trạng thái vào/ra như sau:
1. Mức dịng chảy qua diode, iZ là nhỏ nhất (IZmin) khi dịng tải, iL là lớn nhất (ILmax) và mức điện áp nguồn, vS là nhỏ nhất (VSmin).
2. Mức dịng chảy qua diode, iZ là lớn nhất (IZmax) khi dịng tải, iL là nhỏ nhất (ILmin) và mức điện áp nguồn, vS là lớn nhất (VSmax).
Khi các đặc tính của hai mơ hình được kết hợp vào phương trình (2.61), ta cĩ: Trạng thái 1:
Do trị số của Ri trong cả hải phương trình (2.63) và phương trình (2.64) là một, nên ta cĩ thể cân bằng hai biểu thức để cĩ:
Trong bài tốn thực tế, hợp lý nhất là cho biết khoảng điện áp vào, khoảng dịng tải, và mức điện áp zener yêu cầu. Do vậy phương trình (2.65), sẽ tương đương một phương trình theo hai ẩn, dịng zener lớn nhất và nhỏ nhất. Xác định phương trình thứ hai bằng cách xét đặc tuyến của điode zenner. Để tránh phần đặc tuyến khơng phải hằng số, ta sử dụng quy tắc kinh nghiệm là mức dịng zener nhỏ nhất sẽ bằng 0,1 lần mức dịng zener lớn nhất, tức là:
Giải phương trình (2.65) theo IZmax, trong đĩ sử dụng tiêu chuẩn thiết kếđã được giới thiệu ở trên,
Cĩ thể tính được mức dịng zener lớn nhất, để cĩ trị số của Ri từ phương trình (2.63) hoặc (2.64).
Ví dụ 2.3: Thiết kế bộổn định điện áp bằng zener khoảng 10V (hình 2.33) cho các điều kiện
như sau:
a) Khoảng dịng tải từ 100mA đến 200mA và khoảng điện áp nguồn từ 14V đến 20V.
b) Khoảng dịng tải từ 20mA đến 200mA và khoảng điện áp nguồn từ 10,2V đến 14V. Sử dụng diode zener 10V trong cả hai trường hợp.
Giải: a) Việc thiết kế bao gồm chọn giá trị điện trởRi phù hợp, và thơng số định mức cơng suất cho zener. Sử dụng phương trình từ mục trên để tính mức dịng lớn nhất của diode zener và sau đĩ tính trị sốđiện trở vào. Từ phương trình (2.66), ta cĩ:
Sẽ khơng đầy đủ nếu chỉ xác định điện trở Ri, nên cũng cần phải chọn cơng suất định mức thích hợp cho điện trở. Mức cơng suất lớn nhất cho bởi tích của điện áp và dịng điện, trong đĩ sử dụng trị số lớn nhất cho mỗi đại lượng.
Cuối cùng, ta phải xác định cơng suất định mức cho diode zener. Mức cơng suất lớn nhất tiêu tán ở diode zener được tính bằng tích của điện áp và dịng điện trên zener.
b) Lặp lại các bước tính trên theo các thơng số của phần b, ta cĩ:
Trị sốIZmax âm cho biết biên độ giữa VSmin và VZ là khơng đủ lớn để cho phép thay đổi dịng
tải, nghĩa là, ở trạng thái xấu nhất của điện áp vào là 10,2V và dịng tải là 200mA, thì zener khơng thể cho khả năng duy trì 10V trên hai cực của diode zener. Do đĩ, bộổn định sẽ khơng hoạt động đúng đối với trị số chọn nào đĩ của điện trở, nên ta cĩ thể tăng điện áp nguồn hoặc giảm mức dịng ra yêu cầu.
Mạch ổn định bằng zener ở hình 2.33, cĩ thể kết hợp với mạch nắn tồn kỳở hình 2.25, để tạo thành mạch nắn tồn kỳ cĩ ổn định điện áp bằng zener nhưở hình dưới.
RF là điện trở xã, dùng để tạo đường xã cho tụ khi tháo tải (tải hở). Các điện trở xã thường cĩ trị sốđiện trở cao để khơng tiêu thụ nhiều cơng suất khi mạch hoạt động. Trị số của CF tính theo phương trình tương ứng (2.59). Điện trở trong phương trình là điện trở tương đương mắc song song với CF. Diode zener được thay bằng nguồn điện áp VZ. Điện trở tương đương là do mạch song song của RF với Ri. Điện trở Ri mắc nối tiếp trong mạch để tránh các ngắn mạch hiệu dụng của RL lên diode zener. Do RF lớn hơn nhiều so với Ri, nên điện trở song song cĩ trị số gần bằng với Ri. Bởi vì điện áp ngang qua Ri khơng thể bằng 0 đối với mạch nắn tồn kỳ, nên Vmax ở phương trình (2.59) cần phải được thay bằng tổng mức dao động điện áp. Vậy, tụ được tính gần đúng bởi phương trình (2.67), trong đĩ cho tỷ số biến áp a là ½.
Mức điện áp lớn nhất đặt trên bộổn áp là VSmax. ΔV là mức gợn đỉnh – đỉnh, và fp là tần số cơ bản của tín hiệu chỉnh lưu (tức là tần số tín hiệu ra của mạch chỉnh lưu tồn kỳ gấp hai lần tần số nguồn).