Usar un diodo Zener para facilitar un regulador de voltaje

Si tuviera que resolver este problema con los diodos Zener, pondría varios de ellos en serie, en lugar de desviarlos. Necesitas bajar 36V hacia el vecindario de aproximadamente 7.5-8V. Eso es aproximadamente 28V: cuatro Zeners 7V en serie, por ejemplo. Solo tienen que ser capaces de manejar la corriente continua y disipar el calor. Ya que tus milliAmperes de robo actuales no son enormes, parece factible. Cada Zener: caída de 7V, aproximadamente 200 mA de corriente, por lo tanto, disipación de 1.4W. Tal vez se pueden encontrar 7V Zeners que pueden disipar 1.5W. En realidad, los Zeners pueden ser un poco más pequeños en valor, ya que el regulador puede tolerar un abandono mayor. Podemos elegir un regulador con una clasificación de corriente más grande, y ponerle un disipador de calor, luego dejar que funcione con un voltaje mayor a 8V.

En el arreglo de derivación, confías en la resistencia de la serie para disminuir el voltaje, con la ayuda del Zener. El arreglo es sensible al dibujo actual. Cuanto menos dibuje su regulador, más corriente tiene que desviar el Zener. Esencialmente, tiene que protegerse si la resistencia es lo suficientemente grande como para proteger el Zener de sobrecorriente bajo carga mínima, y lo suficientemente pequeño como para permitir la corriente bajo carga máxima sin que la tensión caiga demasiado.

Con los Zeners en serie, no tienes que preocuparte por estos escenarios opuestos. Bajo carga mínima, hay corriente mínima a través de los Zeners, así que solo tienes que preocuparte por lo que sucede bajo carga máxima.

Como regla general, no haría este tipo de cosas si requiriera más de un Zener, o si ese Zener tuviera que tener más de un dígito de voltaje Zener para hacer el trabajo. La alimentación de 5 V a 36 V se realiza mejor con un convertidor de conmutación DC-DC.

No, un generador de 5 V en ese circuito no funcionará frente al regulador de 5 V. Como otros ya han señalado, los reguladores tienen un voltaje de caída , que es el voltaje de entrada mínimo al que puede mantener su voltaje de salida nominal. Por lo general, lo piensa en términos del espacio para la cabeza que necesita el regulador. La antigua pero robusta serie de reguladores 78xx es notoria por requerir mucho espacio para la cabeza, generalmente alrededor de 2.5 V.

Sin embargo, el zener es una mala idea por otra razón. La resistencia y el zener forman básicamente un regulador de derivación . Estos son muy ineficientes, ya que la derivación hace que la tensión de salida disminuya al generar corriente. Un regulador de derivación tiene una corriente de entrada constante, independientemente de lo que esté haciendo la carga. Si la carga no está tomando la corriente, entonces la derivación es.

La eficiencia energética puede no ser un gran problema, pero deshacerse del calor generalmente lo es. Eso suele ser voluminoso y caro.

La mejor respuesta desde el punto de vista energético es reemplazar todo con un conmutador. Hay muchos chips de conmutador que pueden suministrar 150 mA desde 36 V, aunque no son tan simples como un regulador lineal. Tendrá que agregar un inductor y unos pocos condensadores seleccionados correctamente. Sin embargo, todo esto está en la hoja de datos del chip del conmutador, por lo que principalmente se trata de seguir las instrucciones cuidadosamente.

Si realmente necesita la salida limpia del regulador lineal, use un interruptor frente al regulador. Debe hacer un voltio más o menos que el mínimo que necesita el regulador lineal. Eso le da un poco de espacio para poner un inductor de virutas de ferrita y una tapa de cerámica a tierra frente al regulador lineal. La electrónica activa en el regulador lineal es buena para rechazar el ruido en la entrada y no dejar que llegue a la salida, sino solo hasta cierta frecuencia. El propósito de la pequeña parte del filtrado es eliminar las altas frecuencias en la salida del conmutador, lo que permite que el regulador lineal maneje de manera efectiva las demás frecuencias.

Si realmente no quieres usar un conmutador por alguna razón (no hay muchas buenas razones en la actualidad, usualmente esto es algo religioso), al menos usa el zener para hacer un regulador lineal rápido y sucio. Algo como esto:

El zener y el R1 todavía actúan como un regulador de derivación, pero la corriente que extrae es tan pequeña que es irrelevante con respecto a los 150 mA de su carga. Q1 y Q2 proporcionan una gran cantidad de ganancia actual, probablemente alrededor de 1000 como mínimo juntos. Eso significa que el regulador de derivación R1-D1 solo necesita suministrar 150 µA para la salida total de 150 mA.

Tenga en cuenta que Q2 hace el trabajo pesado, por lo que es un transistor de potencia. Este sigue siendo un regulador lineal, por lo que no puede escapar al hecho de que (36 V - 5 V) * 150 mA = 4.7 W de calor terminará disipándose en algún lugar. Al hacer que Q2 disminuya la mayor parte de este voltaje, tomará la mayor parte del calor. Muestro Q2 como TIP41, que es un transistor de potencia que viene en un paquete TO-220. Puede manejar esa energía si se proporciona un disipador térmico adecuado .

Una vez más, un conmutador es una mejor respuesta aquí. Será más pequeño y más barato que solo el disipador de calor solo.

Para obtener 5V del regulador, debe haber más de 5V en el regulador. Esta cifra mínima debe indicarse en la hoja de datos del regulador que pretende utilizar. Por ejemplo, para un 7805, el voltaje de desconexión es de 2V, por lo que necesita un mínimo de 7V de entrada al regulador, por lo que puede elegir un 8V2.

Ahora que la entrada al regulador está limitada a 8.2 V, la disipación de potencia máxima en el regulador será

$$ (8.2 - 5) \ times 0.125 = 0.4 \ text {watt} $$

Si decimos que queremos un mínimo de 5 mA en el zener, necesitamos que fluyan al menos 130 mA en la resistencia

$$ R \ le \ frac {36-8.2} {0.130} = 213 \ \ Omega $$

Así que podemos elegir una resistencia de 200 ohmios. La disipación en la resistencia es

$$ \ frac {(36-8.2) ^ 2} {200} = 3.8642 \ text {watt} $$

Y la máxima disipación de potencia en el Zener estará en carga mínima

$$ 8.2 \ times \ left (\ frac {36-8.2} {200} - 0.01 \ right) = 0.3198 \ text {watt} $$

Ya que ha editado su pregunta: sí, podría usar un diodo zener de 10 V, pero cuanto menor sea el valor del zener en esta configuración, menos potencia se disipará tanto en el zener como en el regulador.

Considere el ejemplo al que se vinculó con el zener en serie con el regulador, por ejemplo, podría usar un zener de 27V para hacer la entrada al regulador de 9V. Esto hace que la potencia máxima en el regulador

$$ (9 - 5) \ times 0.125 = 0.5 \ text {watt} $$

Nota: el poder en el zenner se convierte en

$$ 27 \ times 0.125 = 3.375 \ text {watt} $$

El peor de los casos, pero tenga en cuenta en esta configuración que la potencia total tomada de la fuente de alimentación de 36V es ligeramente menor a plena carga de 4,5 watios en lugar de 4,68 watios, pero la potencia extraída del riel de 36V es mucho menor cuando la carga mínima es de 0,36 watios La configuración mediante la resistencia La potencia tomada del riel no depende de la carga.

Dependiendo del tipo de regulador que use, puede usar un diodo zener de 6 a 8V, pero no resolvería su problema, simplemente muévalo a otro punto del circuito. Recuerde que un diodo zener también tiene una potencia disipada máxima y también la resistencia.

Un diodo zener estándar tiene una potencia disipada máxima de 400 o 500 mW, a 8 V y 400 mA, lo que significa una corriente máxima de 50 mA a través del zener. La potencia disipada en la resistencia en este caso ya es de 1.2W. Esto es muy ineficiente.

Dibujar más de 50 mA y ajustar la resistencia para esta situación, pero aún así es una mala práctica usar el diodo Zener de 500 mW. En este caso, cuando desconecte la carga de la fuente de alimentación, el diodo Zener se quemará instantáneamente.

¿Funciona? Si

¿Deberías hacerlo? No

¿Qué es una mejor solución? Encuentre una fuente de alimentación que no genere 36V sino más de 8V. Otra solución sería usar un convertidor reductor o reductor de CC a CC que pueda tomar la 36V directamente. Estas cosas son baratas en eBay, la eficiencia es mucho mejor y son más confiables en esta configuración.

Para un regulador de 5V, el Zener deberá ser mayor que 5V.
Los reguladores tienen un "voltaje de deserción", que es la diferencia mínima (Vin-Vout) que tolerarán y seguirán funcionando correctamente.

El voltaje de caída requerido depende del regulador que elija. Algunos reguladores LDO (caída baja) solo necesitan de 0.1 a 0.2 V como mínimo para que Vin-Vo funcione correctamente. Algunos, como la familia LM317, requieren típicamente un voltaje de caída de 1.5 a 2 voltios.
En su ejemplo, un zener 6V8 le daría 6.8-5 = 1.8V de deserción nominal. En la práctica, la diferencia puede ser más que eso, ya que un Zener con poca carga generalmente tendrá Vzener > Vrated.

En su ejemplo, el zener proporciona dos formas posibles de protección. Limita el Vin para minimizar la disipación cuando está cargado, PERO su objetivo principal es limitar Vin_max cuando el regulador está descargado. Muchos reguladores tienen Vin_max de 35 V o más, PERO algunos están clasificados en Vin < = 20V o 15V o incluso solo alrededor de 8V para un regulador de 5V.
Los microchip tienen una serie de reguladores donde Vinmax no es mucho más que Vout. El uso de un zener como se muestra puede permitir el uso de un regulador de Vinmax bajo.

Tenga en cuenta que el zener disipará la mayor parte de la energía cuando el regulador esté disipando poca o NINGUNA potencia, es decir, no tiene carga. Si no es necesaria la protección contra un alto Vin, tampoco es necesario el zener - una resistencia de entrada en serie es suficiente. La resistencia tiene un tamaño de resistencia tal que permite suficiente espacio para el regulador bajo la carga máxima de diseño.
por ejemplo, decir
Vout = 5V,
 Vsupply_min = 36V min
Iout_max = 150 mA
Espacio libre mínimo requerido = 1 V decir.

La resistencia está dimensionada de modo que a 150 mA la salida de la resistencia esté al menos 1 V por encima de Vin min.

Vin = Vout + Vheadroom = 5 + 1 = 6V.
Vdrop max en R = Vsupply_min - Vinmin = 36-6 = 30V.
R = Vr / Ir = 30V / 0.15A = 200 Ohm.
 Esa es la mayor resistencia posible que cumplirán las especificaciones. Es aconsejable hacer Rseries más pequeño para permitir la dispersión de parámetros. Diga R = 150 ohmios y Vrmax = IR = 0.15 x 150 = 22.5 V así que Vin al regulador min = Vsupply - 22.5 = 36 - 22.5 = 13.5V.
Disipación del regulador = (Vin-Vout) x Imax = (13.5-5) * 0.15 = 1.275 vatios.
 Disipación de la resistencia máx = Vrmax x Irmax = 22.5 x 0.15 = 3.375W.
Use al menos una resistencia de 5W y, idealmente, una de 10W.