Regulación de voltaje y diodo Zener

Introducción

Es difícil saber lo que realmente quiere de esta pregunta. Las especificaciones me hablan de cierta manera. Pero no sé cómo los estás recibiendo. Y, tal vez, si pudieras leer mi mente sobre esto, podrías haber querido reformular la pregunta, pidiendo un resultado diferente. Todo lo que puedo hacer es interpretar lo que veo a la luz de lo que imagino que entiendo.

Dicho esto, aquí va:

La pregunta especifica dos voltajes de riel de suministro,$15\:\text{V}$y$20\:\text{V}$. También especifica dos corrientes de carga:$5\:\text{mA}$y$20\:\text{mA}$. Finalmente, especifica el voltaje zener:$6.8\:\text{V}$.

Oculta tras bambalinas, y no declarada pero todavía presente, está la corriente zener requerida. Para eso, ver: zeners . Allí, por la$6.8\:\text{V}$caso, la corriente de prueba es$37\:\text{mA}$y la impedancia zener en esa corriente de prueba es$3.5\:\Omega$.

Ahora, me enfrento a un problema. Si se supone que el zener es perfecto y no se supone que vaya a mirar una hoja de datos, entonces realmente no hay una buena respuesta. Esto se debe a que pude establecer$R=1\:\text{m}\Omega$y vierte torrentes de corriente en el zener. Al hacerlo, la carga en sí misma apenas tendría ningún impacto. Entonces habrías resuelto el problema. Y aún mejor podría ser$R=1\:\mu\Omega$. Entonces, ¿cuál es el límite aquí? ¿Es enserio? ¿Tiene esto algún sentido? no lo hace

Por lo tanto, la única forma razonable de analizar esto es incluir un modelo zener que debe ir a buscar (como se indicó anteriormente) y aplicarlo de manera inteligente. Los enfoques idealistas simplemente no tienen ningún sentido. Sin embargo, el problema no dice, específicamente.

Es por eso que comencé diciendo que no estoy seguro de que leas este problema de la forma en que lo hago. Y, si lo hiciste, podrías haberlo preguntado de otra manera.

Un acercamiento

Dicho esto, puede abordar el problema si y solo si no asume un zener ideal, sino que asume uno más realista. En particular, usaré el modelo que podemos extraer de arriba. Primero veamos los esquemas revisados ​​(basados ​​en modelos):

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

He incluido una resistencia en serie como parte del modelo zener que se encuentra en la hoja de datos,$R_\text{Z}=Z_\text{Z}$, junto con un voltaje zener interno ideal hipotético ,$V_{\text{Z}^{*}}=V_\text{Z}-I_\text{Z}\cdot Z_\text{Z}=6.6705\:\text{V}$. Este voltaje zener ideal se calcula a partir de los valores de la hoja de datos anterior.

Ahora podemos desarrollar dos ecuaciones utilizando el análisis nodal:

El problema con lo anterior es doble. (1) Hay tres incógnitas:$R$,$V\text{o}_{_\text{MIN}}$, y$V\text{o}_{_\text{MAX}}$. (2) No hemos dicho nada sobre$V\text{o}$, en sí mismo, que sabemos que queremos ser nominalmente$6.8\:\text{V}$(por alguna definición aún no declarada de nominalmente ).

Así que mejoremos la situación. Propongo que establezcamos$V\text{o}_{_\text{MIN}}=V\text{o}-\Delta V$y que establecemos$V\text{o}_{_\text{MAX}}=V\text{o}+\Delta V$, con$V\text{o}=6.8\:\text{V}$.

Ahora podemos reformular, como:

Aquí, tenemos dos ecuaciones y ahora solo dos incógnitas:$R$y$\Delta V$.

Sin embargo, no estoy diciendo que es probable que aparezca nada bueno de esto. Las ecuaciones nodales anteriores asumen que el zener es una fuente de voltaje que puede suministrar y absorber energía. Pero no puede suministrar ningún poder. Entonces, el segundo término en ambas ecuaciones no es realmente viable, si$\Delta V$varía más que sobre$130\:\text{mV}$. Y variará más. Así que ya sabes que hay un problema que es muy probable y las ecuaciones resolverán una situación ficticia y algo que no funciona.

En este punto, concluiría que el problema no tiene una solución realizable. No, de todos modos, como se ha dicho.

Otro enfoque

Hay una suposición diferente que podríamos tomar de la hoja de datos: que$I_\text{Z}=37\:\text{mA}$. En cambio, podríamos tratar el zener como un sumidero actual de ese valor. Esto produciría un valor realista para$R$y proporcionaría$\Delta V$valores que parecen útiles y proporcionarían una verificación diferente.

Procedamos con eso:

^{simular este circuito}

Tenga en cuenta que esto no es realista y que estamos explorando esto para ver a dónde va.

Las nuevas ecuaciones son:

Esto resultará en un valor razonable para$R$. Pero el$\Delta V$será grande (varios voltios) y obviamente más allá de la capacidad del zener para permanecer activo.

Así que esta será otra forma de demostrar que no se puede lograr razonablemente.

Un problema pendiente

El análisis anterior puede conducir a resultados, a pesar de que esos resultados no serán razonables. Pero hay otra declaración en la hoja de datos que aún no he mencionado:

Como si ya no hubiera suficientes problemas, este también muestra su rostro.

Con suerte, a estas alturas, al menos tiene algunos enfoques que tomar. En este caso, no resultarán en nada útil. Pero en otros casos, pueden ser útiles.

hagámoslo así: a partir del análisis de malla podemos escribir el voltaje del lazo como: Vin=Vz+Vrs, entonces Vrs=Vin-Vz y Vrs=Rs*I de la ley de hom. entonces Rs=Vrs/I= (Vin-Vz)/I tenemos Imin=5mA e Imax=20min y Vin_min=15V y Vin_max=20V. entonces, considere sustituir el valor de Imin y I max con Vin_min y Vin_max para encontrar Rs_min y Rs_max