Diseñar una fuente de alimentación (zener) para lograr 6V constantes (\ $ \ pm \ $ 0.01)

Un zener es un regulador de derivación , lo que significa que es una carga paralela a su carga real.

Elvoltajedelzeneres6V,porloquenecesitaráunpocomásparapermitirunacaídadevoltajeenlaresistenciaenserieR.Sielvoltajedeentradaesconstante,digamos8V,Rveráunacorrienteconstantesitambiénel6Vesconstante.EsaeslaLeydeOhm:V=R\$\times\$I.

Sucargapuedevariarentre500Ωy20kΩ,queesunampliorangoparaelZener,comoveremos.Lacorrienteatravésdelacargavariaráentoncesentre300µAy12mA.EntoncestendremosquecalcularRparaalmenos12mAmásunpocoparaelzener,digamos10mA.Esoes22mA,ysiasumimoslaentradade8V,nuestraRseráde90Ω.

Los10mAparaelzenersonnecesariosparaunaregulaciónadecuada.Silacorrienteesdemasiadobaja,lasvariacionespuedencausarcambiosdevoltajebastantegrandes.Comopuedeveralacargamáximade500,elreguladorsolotieneun50%deeficiencia;tieneslamismacorrienteatravésdelzenercomoatravésdelacarga.Enlacargamínimaesrealmentemalo:elzenerhabrátomadolos12mAdelacargaytendráuntotalde22mA,mientrasquelacargasolotendrá300µA.¡Laeficienciaesentoncessolo1.3%!EsaesunarazónporlacuallosdispositivosZennoserecomiendanparacargasquevaríanmucho.

¿Porquéelzenertomaríalos12mAdelacarga?Sinofueraasí,Rsoloobtendría10mAenlugarde22mAylacaídadevoltajeseríade900mV,paraunasalidade7.1V.EslatensiónZenerlaquehacequelacorrientetotalseade22mA.

Entonces,lacorrienteZenercambiaráconlacargavariable,perotambiénconlatensióndeentradavariable,porquesilos8Vseconvertiríanen9V,lacorrientetotalseconvertiríaen(9V-6V)/90Ω=33mA.Silacargatoma12mAdeeso,entoncespasa21mAatravésdelzener.

Suzenermantendráelvoltajealrededorde6V,peroconestascorrientescambiantesnopuedeesperarmaravillas:el6Vnoseráconstante.Unzenernoesunbuenreguladordevoltaje.

Unamejorsoluciónseríauna TL431 (Russell! ;-)). Esto ya es mucho más estable con una regulación mucho mejor, y cuesta apenas más que un zener.

Pero la solución real es, por supuesto, un regulador de serie. La 78L06 es una parte de 6 V / 100 mA, que es fácil de usar: un pin de entrada, un Salida, y un terreno común. Añadir condensadores a ambos entrada y salida y ya está.

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Si solo puedes usar un Zener, tendrás que relajar tus necesidades. La precisión de 10 mV es absolutamente imposible. Eso es menos del 0.2%, mientras que el 1N5233 tiene una tolerancia del 5% para comenzar, y la hoja de datos da un zener Impedancia de 7 Ω máximo. Eso significa que una diferencia de 12 mA en la corriente zener dará una diferencia de 84 mV, que es otro 1.4%.

Aparentemente, está utilizando el zener como un regulador de derivación . No es una buena idea si está siguiendo inmediatamente el transformador, los rectificadores y el condensador paralelo. La razón es que está casi garantizando que la tensión de salida caerá por debajo del límite de regulación para parte de cada ciclo. Durante los picos, el zener limitará la tensión del condensador al valor de regulación. Durante las inmersiones, solo puede bajar desde allí.

Su carga máxima es de solo 12 mA, por lo que no tiene que preocuparse por la eficiencia. La respuesta más simple es seguir el rectificador y el condensador con un regulador lineal. Si el secundario del transformador emite 6 VCA como usted implica, entonces su voltaje pico será en realidad de 8,5 V. Eso menos dos Schottky (en estos voltajes bajos, Schottkys es una obviedad) las gotas de diodo deberían dejar aproximadamente 7,5 a 8 voltios. Eso deja al menos un espacio libre de 1.5 V para un regulador lineal, lo cual es bastante factible.

Como se mencionó en las otras respuestas, el zener no es un buen regulador de voltaje para una carga muy variable.
La forma de mejorar la regulación es aumentar la corriente Zener, pero para alcanzar una tolerancia de cerca de + -10mV (la precisión es otra cuestión dada la tolerancia Zener y el funcionamiento a una corriente superior a la media) se necesitará una gran corriente. p>

Aquí hay un 1N750 zener simulado 3 veces con resistencias en serie de 40Ω, 100Ω y 500Ω cada vez que la carga se barre de 500Ω a 20kΩ:

Simulación:

La traza roja es con una serie R de 500Ω, la traza azul es 100Ω y la traza verde 40Ω. El eje X es la carga que se barre de 500Ω a 20kΩ, y el eje Y es la tensión de salida.
Podemos ver que cuanto menor sea la resistencia de la serie, mejor será la regulación sobre la carga variable. Sin embargo, con la entrada de 8 V y la resistencia Omega de 40 y amp; el Zener pasará ~ 80 mA de corriente y disipará 4.7 * 80mA = ~ 380mW, por lo que se calentará mucho sin ningún esfuerzo de disipación (la resistencia térmica puede ser tan alta como 300 ° C / W según la hoja de datos .
También es notable la "meseta" de voltaje ligeramente diferente con las diferentes corrientes. El voltaje nominal para este zener es 4.7V, pero cuando ejecutamos el zener a ~ 6.5mA (500Ω), el voltaje es más bajo a ~ 4.65V, y cuando se ejecuta a ~ 80mA, el voltaje aumenta por encima de este a ~ 4.77V. Por lo tanto, esto debe tenerse en cuenta si necesita que la salida sea precisa (en su caso) 6V. Además, el coeficiente de temperatura de ~ 0.018% / ° C afectará las cosas, por lo que se necesitaría alguna forma de mantenerlo razonablemente constante para la operación en condiciones variables (obviamente, la disipación debe tenerse en cuenta junto con el ambiente)
Una variación de 50 ° C producirá un cambio de 0.018 * 50 = 0.9%, lo que equivale a ~ 42mV que inundará su objetivo de 10mV. Así que todo tiene que estar "bien" para tener alguna posibilidad de cumplirlo.

Entonces, si esto es solo para una asignación / diversión / etc, entonces haga algo como lo anterior. Si es para usar en un diseño adecuado, gaste unos pocos centavos adicionales y use un regulador lineal (o al menos un elemento de paso de transistor con zener para regular la base)