Как работает стабилитрон для чайников: Как работает стабилитрон — Характеристика стабилитрона.

Содержание

Как работает стабилитрон — Характеристика стабилитрона.

Немного теории

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-).  Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое «стабильность». На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный — это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа  радиоэлектронной аппаратуры.

  Если оно изменится в меньшую,  или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура  в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать «играющее» напряжение.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с «кепочкой» называется также как и у диода —

катод, а другой вывод — анод.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева  популярный вид современного стабилитрона, а справа один из  образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно  увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится  катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона — это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это  понятно и дошкольнику.

Теперь  по аналогии с электроникой. Стакан — это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане — это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом  большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один — лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники — кувшин обладает «напряжением» больше, чем «напряжение» стакана.

Так  вот, дорогие читатели,  в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит,  напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

[quads id=1]

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 — это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта.  Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон


Как же проверить стабилитрон? Да также как и диод! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье.

Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого PN-перехода.

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов.  В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх — входное напряжение, Uвых.ст.  — выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения.  Здесь все элементарно и просто:

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

Итак, собираем схемку.   Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем блок питания, а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт!  Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне  5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт,  а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт  — это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

где

Iпр

— прямой ток, А

Uпр  — прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр — обратное напряжение, В

Uст — номинальное напряжение стабилизации, В

Iст — номинальный ток стабилизации, А

Номинальный — это значит нормальный параметр, при котором  возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax — максимальный ток стабилитрона, А

Imin — минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Iminэто  сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а  диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр  у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит  такая интересная штука,  как пробой. Короче говоря,  он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока  в стабилитроне. Самое  главное — не переборщить силу тока, больше чем Imax, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим,  при котором сила тока через стабилитрон  находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением.

  На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного. Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации ;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

На Али можно взять сразу целый набор стабилитронов, начиная от 3,3 Вольт и до 30 Вольт.  Выбирайте на ваш вкус и цвет.


Можете посмотреть видео на тему «КАК РАБОТАЕТ СТАБИЛИТРОН (ДИОД ЗЕНЕРА)», рекомендую.

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется | Энергофиксик

Стабильное напряжение питания в электронике — это, пожалуй, самый главный параметр, который проверяется в обязательном порядке. К сожалению, напряжение в наших электросетях может изменяться от заданной величины довольно часто, а вот для того, чтобы электронные устройства служили долго, необходимо обеспечить стабильное напряжение питания, то есть исключить всевозможные скачки. Для этих целей как раз и применяются стабилитроны. В данном материале мы познакомимся с ними поближе.

Что такое стабилитрон

Итак, для начала давайте разберемся, что же такое стабилитрон. Стабилитрон (диод Зенера) – это полупроводниковый диод, функционирующий при обратном смещении в режиме пробоя. Звучит непонятно и заумно. Если сказать по-простому, то стабилитрон это полупроводниковый прибор, который стабилизирует напряжение. Так звучит более понятно, давайте теперь разберем, как он это делает.

Как работает стабилитрон

Итак, для того, чтобы понять принцип работы давайте представим следующий сосуд:

Причем в этом сосуде всегда должен поддерживаться один и тот же уровень воды. Для этих целей в сосуде сделана переливная труба, через которую скидывается «лишняя» жидкость, и тем самым поддерживается постоянный уровень воды. И переливная труба начинает работать только тогда, когда через заливную трубу начнет поступать «лишняя» вода.

По точно такому же принципу и работает стабилитрон.

yandex.ru

yandex.ru

Итак, стабилитрон работает исключительно в цепях постоянного тока и пропускает напряжение в прямом направлении анод-катод как обычный диод. Но у него (стабилитрона) есть одна любопытная особенность, при подаче напряжения (катод-анод) ток не будет проходить через стабилитрон только до тех пор, пока величина напряжения не станет выше заданной величины, на которую рассчитан стабилитрон.

yandex.ru

yandex.ru

Как видно из рисунка выше, как только напряжение достигнет рабочей области стабилитрона, внутри него происходит пробой и ток начинает протекать через него.

Внешний вид стабилитронов

Стабилитроны старого образца (советские) выпускались в алюминиевом корпусе с буквенной маркировкой и, чтобы определить его номинал, нужно искать характеристики на данный стабилитрон.

С зарубежными образцами в этом плане гораздо проще, их наминал указывается непосредственно на корпусе изделия и выглядит это так:

Основные параметры стабилитронов

Главными параметрами стабилитронов являются:

1. Напряжение. Этот параметр показывает, при каком значении напряжения стабилитрон станет пропускать ток в обратном направлении.

2. Ток. Этой величиной указывается максимальный ток, который способно пропустить изделие без выхода из строя.

Остальные параметры стабилизаторов представлены в таблице:

yandex.ru

yandex.ru

Стабилитрон в схеме

Теперь давайте соберем простейшую схему, которую еще называют параметрический стабилизатор.

Итак, давайте в схеме применим стабилитрон Д814Б на напряжение стабилизации 8,9 Вольт. Получается, чтобы через наш стабилитрон стал протекать ток в обратном направлении напряжение источника питания должно быть больше напряжения стабилизации. Иначе говоря, источник должен выдавать 9 Вольт и более, чтобы стабилизатор открылся (заработал).

И все лишнее U будет сбрасываться через стабилизатор на минус. То есть стабилитрон — это наша переливная труба, отводит (сбрасывает) лишнее напряжение (воду).

Причем стабилизатор будет корректно работать как при плавном изменении напряжения, так и при его резком скачке.

Если напряжение источника питания снизится ниже 8.9 Вольта, то стабилизатор закроется, а напряжение на его выходе так же будет изменяться. То есть никакой стабилизации не будет в принципе.

Проверка стабилитрона

Проверка стабилизатора ничем не отличается от проверки работоспособности обыкновенного диода и для этого понадобится мультиметр.

Переводим мультиметр в положение прозвонка, красный щуп прислоняем к аноду, а черный к катоду. При этом на экране прибора должно отобразиться паление напряжения прямого P-N перехода. Поменяв щупы местами на дисплее должна отобразиться «1».

Такие параметры скажут о полной исправности стабилитрона.

Проводим эксперимент

Итак, теперь давайте составим схему параметрического стабилизатора с Д814 Б. И начнем плавно увеличивать напряжение на источнике постоянного тока и при достижении порога срабатывания увидим следующее:

Заключение

На сегодняшний день параметрические стабилитроны постепенно уступают свое место специальным интегральным стабилизаторам и стабилизаторам на стабилитронах. Но в простых схемах все так же продолжают применяться.

Статья понравилась или оказалась полезна, не забудьте ее оценить. И спасибо за ваше внимание!

Как работает стабилитрон.

» ХабстабСтабилитрон, он же диод Зенера, назван в честь первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера и на схемах обозначается следующим образом.

Но в отличие от выпрямительного диода ток через него может течь в обоих направлениях.

Для лучшего понимания его работы, можно представить его как два диода, включённых встречно-параллельно, но с разным падением напряжения.

Для любого стабилитрона, падение напряжение на одном из его диодов равно примерно 0.7 вольт, а падение напряжение на другом зависит от выбранного стабилитрона, так как разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 вольт). Например, для BZX55C3V3 прямое падение напряжение равно 0.7 вольта, а напряжение пробоя, по нашей аналогии падение напряжения на втором диоде, равно 3.3 вольта.

Описанное выше становится более понятно если посмотреть на вольт — амперную характеристику(ВАХ) стабилитрона.


Правая ветвь ВАХ аналогична ВАХ диода, а левая отвечает за тот самый туннельный пробой. Пока обратное напряжение не достигло напряжения пробоя, ток через стабилитрон практически не течёт, не считая утечки. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, в определенный момент начинается пробой, он характеризуется загибом ВАХ. Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к туннельному пробою, в этом состоянии ток через стабилитрон растёт, а напряжение нет.

Отличительной чертой туннельного пробоя является, его обратимость, то есть после снятия приложенного напряжение стабилитрон вернётся в исходное состояние. Если же максимально допустимый ток будет превышен и произойдёт тепловой пробой, стабилитрон выйдет из строя.

Простейшая схема стабилизатора на стабилитроне выглядит следующим образом.


Давайте соберём её, подключив осциллограф вместо нагрузки и подадим на вход треугольный сигнал амплитудой 10 вольт. Напряжение генератора — первый канал, напряжение на стабилитроне — второй канал.

На осциллограмме видно, что напряжение на стабилитроне изменяется от -0,88 до 3,04 вольта.

Для того чтобы понять почему так происходит, давайте заменим схему выше двумя эквивалентными.
При прямом включения стабилитрона, когда на аноде плюс, на катоде минус.


При обратном включении стабилитрона, когда на аноде минус, на катоде плюс.

До этого мы не учитывали величину сопротивление нагрузки. Прежде чем рассматривать как поведёт себя схема под нагрузкой, необходимо ознакомиться с основными характеристиками стабилитрона.


  • Vzнапряжение стабилизации, обычно указывается минимальное и максимальное значение
  • Iz и Zzминимальный ток стабилизации и сопротивление стабилитрона
  • Izk и Zzk — ток и сопротивление в точке, где начинается «излом» характеристики
  • Ir и Vr — обратный ток и напряжение при заданной температуре
  • Tc — температурный коэффициент
  • Izrm — максимальный ток стабилизации

Что же произойдёт когда мы подключим нагрузку?
Ток, протекающий через стабилитрон уменьшиться, так как часть его потечёт через нагрузку. Вопрос в том насколько уменьшится, если ток через стабилитрон станет меньше минимального тока стабилизации стабилитрон перестанет стабилизировать напряжение и всё напряжение питания окажется приложенным к нагрузке. Из этого можно сделать вывод, что при отключенной нагрузке ток через стабилитрон должен быть равен сумме 2-х токов, минимального тока стабилизации и тока нагрузки.
Эта сумма токов задается с помощью гасящего резистора, в нашей схеме его номинал 1К.

Формула для его вычисления выглядит следующим образом


  • Uin — входное напряжение
  • Uz — напряжение стабилизации
  • Iz — минимальный ток стабилизации
  • I — ток нагрузки

Стабилитрон: принцип работы, маркировка, обозначение, параметры, свойства

Полупроводниковый стабилитрон, или диод Зенера, представляет собой диод особого типа. При прямом включении обычный диод и стабилитрон ведут себя аналогично. Разница между ними проявляется при обратном включении. Обычный диод при подаче обратного напряжения и превышении его номинального значения просто выходит из строя. А  для стабилитрона подключение обратного напряжения и его рост до установленной точки является штатным режимом. При достижении определенной точки обратного напряжения в стабилитроне возникает обратимый пробой. Через устройство начинает течь ток. До наступления пробоя стабилитрон находится в нерабочем состоянии и через него протекает только малый ток утечки.  На электросхемах стабилитрон обозначается как стрелка-указатель, на конце которой имеет черточка, обозначающая запирание. Стрелка указывает направление тока. Буквенное обозначение на схемах – VD.

Содержание статьи

Устройство

Полупроводниковые стабилитроны пришли на смену морально устаревшим стабилитронам тлеющего разряда – ионным газоразрядным электровакуумным приборам. Для изготовления стабилитронов используются кремниевые или германиевые кристаллы (таблетки) с проводимостью n-типа, в которые добавляют примеси сплавным или диффузно-сплавным способом. Для получения электронно-дырочного p-n перехода используются акцепторные примеси, в основном алюминий. Кристаллы заключают в корпуса из полимерных материалов, металла или стекла.

Кремниевые сплавные стабилитроны Д815 (А-И) выпускаются в металлическом герметичном корпусе, который является положительным электродом. Такие элементы имеют широкий интервал рабочих температур – от -60°C до +100°C. Кремниевые сплавные двуханодные стабилизирующие диоды КС175А, КС182А, КС191А, КС210Б, КС213Б выпускают в пластмассовом корпусе. Кремниевые сплавные термокомпенсированные детали КС211 (Б-Д), используемые в качестве источников опорного напряжения, имеют пластмассовый корпус.

SMD стабилитроны, то есть миниатюрные компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, изготавливаются в основном в стеклянных и пластиковых корпусах. Такие элементы могут выпускаться с двумя и тремя выводами. В последнем случае третий вывод является «пустышкой», никакой смысловой нагрузки не несет и предназначается только для надежной фиксации детали на печатной плате.

Принцип действия

Стабилитрон был открыт американским физиком Кларенсом Мелвином Зенером, именем которого его и назвали. Электрический пробой p-n перехода может быть обусловлен туннельным пробоем (в этом случае пробой носит название Зенеровского), лавинным пробоем, пробоем в результате тепловой неустойчивости, который наступает из-за разрушительного саморазогрева токами утечки.

И инженеры конструируют эти элементы таким образом, чтобы возникновение туннельного и/или лавинного пробоя произошло задолго до того, как в них возникнет вероятность теплового пробоя.

Величина напряжения пробоя зависит от концентрации примесей и способа легирования p-n-перехода. Чем больше концентрация примесей и чем выше их градиент в переходе, тем ниже обратное напряжение, при котором образуется пробой.

  • Туннельный (зенеровский) пробой появляется в полупроводнике в тех случаях, когда напряженность электрического поля в p-n зоне равна 106 В/см. Такая высокая напряженность может возникнуть только в высоколегированных диодах. При напряжениях пробоя, находящихся в диапазоне 4,5…6,7 В, сосуществуют туннельный и лавинный эффекты, а вот при напряжении пробоя менее 4,5 В остается только туннельный эффект.
  • В стабилитронах с небольшими уровнями легирования или меньшими градиентами легирующих добавок присутствует только лавинный механизм пробоя, который появляется при напряжении пробоя примерно 4,5 В. А при напряжении выше 7,2 В остается только лавинный эффект, а туннельный полностью исчезает.

Как было сказано ранее, при прямом подключении стабилитрон при прямом включении ведет себя так же, как и обычный диод, – он пропускает ток. Различия между ними возникают при обратном подключении.

Обычный диод при обратном подключении запирает ток, а стабилитрон при достижении обратным напряжением величины, которая называется напряжением стабилизации, начинает пропускать ток в обратном направлении. Это объясняется тем, что при подаче на стабилитрон напряжения, которое превышает U ном. устройства, в полупроводнике возникает процесс, называемый пробоем. Пробой может быть туннельным, лавинным, тепловым. В результате пробоя ток, протекающий через стабилитрон, возрастает до максимального значения, ограниченного резистором. После достижения напряжения пробоя ток остается примерно постоянным в широком диапазоне обратных напряжений. Точка, в которой напряжение запускает ток, может очень точно устанавливаться в процессе производства легированием. Поэтому каждому элементу присваивают определенное напряжение пробоя (стабилизации).

Стабилитрон используется только в режиме «обратного смещения», то есть его анод подключается к «-» источника питания. Способность стабилитрона запускать обратный ток при достижении напряжения пробоя применяется для регулирования и стабилизации напряжения при изменении напряжения питания или подключенной нагрузки. Использование стабилитрона позволяет обеспечить постоянное выходное напряжение для подключенного потребителя при перепадах напряжения ИП или меняющемся токе потребителя.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ стабилитрона, как и обычного диода, имеет две ветви – прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочим режимом для традиционного диода, а обратная характеризует работу стабилитрона. Стабилитрон называют опорным диодом, а источник напряжения, в схеме которого есть стабилитрон, называют опорным.

На рабочей обратной ветви опорного диода выделяют три основные значения обратного тока:

  • Минимальное. При силе тока, которая меньше минимального значения, стабилитрон остается закрытым.
  • Оптимальное. При изменении тока в широких пределах между точками 1 и 3 значение напряжения меняется несущественно.
  • Максимальное. При подаче тока выше максимальной величины опорный диод перегреется и выйдет из строя. Максимальное значение тока ограничивается максимально допустимой рассеиваемой мощностью, которая очень зависит от внешних температурных условий.

Области применения

Основная область применения этих элементов – стабилизация постоянного напряжения в маломощных ИП или в отдельных узлах, мощность которых не более десятков ватт. С помощью опорных диодов обеспечивают нормальный рабочий режим транзисторов, микросхем, микроконтроллеров.

В стабилизаторах простой конструкции стабилитрон является одновременно источником опорного напряжения и регулятором. В более сложных конструкциях стабилитрон служит только источником опорного напряжения, а для силового регулирования применяется внешний силовой транзистор.

Термокомпенсированные стабилитроны и детали со скрытой структурой востребованы в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения. Для защиты электрической аппаратуры от перенапряжений разработаны импульсные лавинные стабилитроны. Для защиты входов электрических приборов и затворов полевых транзисторов в схему устанавливают рядовые маломощные стабилитроны. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП) изготавливаются с одним кристаллом, на котором расположены: защитный стабилитрон и силовой транзистор.

Основные характеристики

В паспорте стабилизирующего диода указывают следующие параметры:

  • Номинальное напряжение стабилизации Uст. Этот параметр выбирает производитель устройства.
  • Диапазон рабочих токов. Минимальный ток – величина тока, при которой начинается процесс стабилизации. Максимальный ток – значение, выше которого устройство разрушается.
  • Максимальная мощность рассеивания. В маломощных элементах это паспортная величина. В паспортах мощных стабилитронов для расчета условий охлаждения производитель указывает: максимально допустимую температуру полупроводника и коэффициент теплового сопротивления корпуса.

Помимо параметров, указываемых в паспорте, стабилитроны характеризуются и другими величинами, среди которых:

  • Дифференциальное сопротивление. Это свойство определяет нестабильность устройства по напряжению питания и по току нагрузки. Первый недостаток устраняется запитыванием стабилизирующего диода от источника постоянного тока, а второй – включением между стабилитроном и нагрузкой буферного усилителя постоянного тока с эмиттерным повторителем.
  • Температурный коэффициент напряжения. В соответствии со стандартом эта величина равна отношению относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению наружной температуры. В нетермостабилизированных стабилитронах при нагреве от +25°C до +125°C напряжение стабилизации сдвигается на 5-10% от первоначального значения.
  • Дрейф и шум. Эти характеристики для обычных стабилитронов не определяются. Для прецизионных устройств они являются очень важными свойствами. В обычных (непрецизионных) стабилитронах шум создают: большое количество посторонних примесей и дефекты кристаллической решетки в области p-n перехода. Способы снижения шума (если в этом есть необходимость): защитная пассивация оксидом или стеклом (примеси направляются вглубь кристалла) или перемещением вглубь кристалла самого p-n-перехода. Второй способ является более радикальным. Он востребован в диодах с низким уровнем шума со скрытой структурой.

Способы включения – последовательное и параллельное

На детали импортного производства в сопроводительных документах ситуации, при которых возможно последовательное или параллельное соединение, не регламентируются. В документации на отечественные опорные диоды можно встретить два указания:

  • В приборах маленькой и средней мощности можно последовательно или параллельно подсоединять любое количество односерийных стабилитронов.
  • В приборах средней и значительной мощности можно последовательно соединять любое число стабилизирующих диодов единой серии. При параллельном соединении необходимо произвести расчеты. Общая мощность рассеивания всех параллельно подсоединенных стабилитронов не должна быть выше аналогичного показателя одной детали.

Допускается последовательное подключение опорных диодов разных серий в том случае, если рабочие токи созданной цепи не превышают паспортные токи стабилизации для каждой серии, установленной в схеме.

На практике для умножения напряжения стабилизации чаще всего применяют последовательное соединение двух-трех стабилитронов. К этой мере прибегают в том случае, если не удалось достать деталь на нужное напряжение или необходимо создать высоковольтный стабилитрон. При последовательном соединении напряжение отдельных элементов суммируется. В основном этот вид соединения используется при сборке высоковольтных стабилизаторов.

Параллельное соединение деталей служит для того, чтобы повышать ток и мощность. Однако на практике этот вид соединения применяется редко, поскольку различные экземпляры опорных диодов даже одного типа не имеют совершенно одинаковых напряжений стабилизации. Поэтому при параллельном соединении разряд возникнет только в детали с наименьшим напряжением стабилизации, а в остальных пробой не произойдет. Если пробой и возникает, то одни стабилитроны в такой цепи будут работать с недогрузкой, а другие с перегрузкой.

Для стабилизации переменного напряжения стабилитроны соединяются последовательно и встречно. В первый полупериод синусоиды переменного тока один элемент работает как обычный диод, а второй выполняет функции стабилитрона. Во втором полупериоде элементы меняются функциями. Форма выходного напряжения отличается от входного. Ее конфигурация напоминает трапецию. Это связано с тем, что напряжение, превышающее напряжение стабилизации, будет отсекаться и верхушки синусоиды будут срезаны. Последовательное и встречное соединение стабилитронов может применяться в термостабилизированном стабилитроне.

Составные стабилитроны

Составной стабилитрон – устройство, применяемой в ситуациях, когда необходимы токи и мощность большего значения, чем это допускают технические условия. В этом случае между стабилизирующим диодом и нагрузкой подсоединяют буферный усилитель постоянного тока. В схеме коллекторный переход транзистора включен параллельно стабилизирующему диоду, а эммиттерный переход – последовательно.

Схема обычного составного стабилитрона не предназначена для применения на прямом токе. Но добавление диодного моста превращает составной стабилитрон в систему двойного действия, которая может работать и при прямом, и при обратном токе. Такие стабилитроны еще называют двойными или двуханодными. Стабилитроны, которые могут работать с напряжением только одной полярности, называют несимметричными. А составные стабилитроны, дееспособные при любом направлении тока, называют симметричными.

Виды стабилитронов

На современном рынке электроники имеется широкий ассортимент стабилитронов, адаптированных к определенным условиям применения.

Прецизионные

Эти устройства обеспечивают высокую стабильность напряжения на выходе. К ним предъявляются дополнительные требования к временной нестабильности напряжения и температурного коэффициента напряжения. К прецизионным относятся устройства:

  • Термокомпенсированные. В схему термокомпенсированного стабилитрона входят последовательно соединенные: стабилитрон номинальным напряжением 5,6 В (с плюсовым значением температурного коэффициента) и прямоосвещенный диод (с минусовым коэффициентом). При последовательном соединении этих элементов происходит взаимная компенсация температурных коэффициентов. Вместо диода в схеме может использоваться второй стабилитрон, включаемый последовательно и встречно.
  • Со скрытой структурой. Ток пробоя в обычном стабилитроне сосредотачивается в приповерхностном кремниевом слое, где находится максимальное количество посторонних примесей и дефектов кристаллической решетки. Эти несовершенства конструкции провоцируют шум и нестабильную работу. В деталях со скрытой структурой ток пробоя «загоняют» внутрь кристалла путем формирования глубокого островка p-типа проводимости.   

Быстродействующие

Для них характерны: низкое значение барьерной емкости, всего десятки пикофарад, и краткий период переходного процесса (наносекунды). Такие особенности позволяют опорному диоду ограничивать и стабилизировать кратковременные импульсы напряжения.

Стабилизирующие диоды могут быть рассчитаны на напряжение стабилизации от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Высоковольтные стабилитроны устанавливаются на специальные охладители, способные обеспечить нужный теплообмен и уберечь элемент от перегрева и последующего разрушения.

Регулируемые стабилитроны

При изготовлении стабилизированных блоков питания необходимый стабилитрон может отсутствовать. В этом случае собирают схему регулируемого стабилитрона.

Нужное напряжение стабилизирующего диода подбирают при помощи резистора R1. Для настройки схемы на место резистора R1 подключают переменный резистор номиналом 10 кОм. После получения нужного значения напряжения определяют полученное сопротивление и устанавливают на постоянное место резистор нужного номинала. Для этой схемы можно применить транзисторы КТ342А, КТ3102А.

Способы маркировки

На корпусе детали имеется буквенная или буквенно-цифровая маркировка, которая характеризует электрические свойства и назначение устройства. Различают два типа маркировки. Детали в стеклянном корпусе маркируются привычным образом. На поверхности элемента пишут напряжение стабилизации с использованием буквы V, которая выполняет функцию десятичной запятой. Маркировка из четырех цифр и буквы в конце менее понятна. Расшифровать ее можно только с помощью даташита.

Еще один способ обозначения стабилизирующих диодов – цветовая маркировка. Часто применяется японский вариант, который представляет собой два или три цветных кольца. При наличии двух колец, каждое из них обозначает определенную цифру. Если второе кольцо нанесено в удвоенном варианте, то это означает, что между первой и второй цифрой надо поставить запятую.

Как отличить стабилитрон от обычного диода

Оба эти элемента имеют схожее обозначение на схеме. На практике отличить стабилитрон от обычного диода  и даже узнать его номинал, если оно не более 35 В, можно с помощью приставки к мультиметру.

Схема приставки к мультиметру

Для выполнения генератора с широтно-импульсной модуляцией используется специализированная микросхема MC34063. Чтобы обеспечить гальваническую развязку между ИП и измерительной частью схемы напряжение контролируют на первичной обмотке трансформатора. Это позволяет сделать выпрямитель на VD2. Точка стабилизации выходного напряжения устанавливается с помощью резистора R3. Напряжение на конденсаторе С4 – примерно 40 В. Стабилизатор тока А2 и проверяемый опорный диод составляют параметрический стабилизатор, а мультиметр, подключенный к выводам схемы, позволяет определить напряжение стабилитрона.

Если диод подключить в обратной полярности (анод к «-», а катод к «+»), то мультиметр для обычного диода покажет 40 В, а для стабилитрона – напряжение стабилизации.

Для определения работоспособности стабилитрона с известным номиналом используют простую схему, состоящую из источника питания и токоограничительного резистора на 300…500 Ом. В этом случае с помощью мультиметра определяют не сопротивление перехода, а напряжение. Включают элементы, как показано на схеме, и меряют напряжение на стабилитроне.

Медленно поднимают напряжение блока питания. На значении напряжения стабилизации напряжение на стабилитроне должно прекратить свой рост. Если это произошло, значит, элемент исправен. Если при последующем увеличении напряжения ИП диод не начинает стабилизировать, значит, он не исправен.

Как правильно подобрать стабилитрон?

Стабилитроны относятся к стабилизаторам небольшой мощности. Поэтому их необходимо подбирать так, чтобы через них без перегрева мог проходить весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации.

Для правильного выбора стабилитрона для электрической схемы необходимо знать следующие параметры: минимальное и максимальное входное напряжение, напряжение на выходе, минимальный и максимальный ток нагрузки. Напряжение стабилизации стабилитрона равно выходному напряжению. А рассчитать максимальный ток, который может пройти через стабилитрон в конкретной схеме, и мощность рассеивания при максимальном токе, лучше всего с помощью онлайн-калькулятора.  

Содержание драгоценных металлов в стабилитронах

В стабилитронах, как и в других полупроводниках – обычных диодах, тиристорах, варикапах, из драгоценных металлов содержится, в основном, серебро, в некоторых – золото. Конкретное количество указывается в специальных таблицах. Содержание палладия и платины, даже если они и присутствуют в полупроводниках, обычно не указывается, поскольку их концентрация ничтожно мала.



Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.


принцип работы, схема и т.

д.

Стабилитрон — специальный диод, который способен работать в условиях обратного смещения в зоне пробоя без какого-либо ущерба для себя.

Схема стабилитрона
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия стабилитрона

График напряжение-ток для стабилитрона похож на график напряжение-ток для P-N перехода обычного диода.

Когда стабилитрон имеет прямое смещение, то, также, как и в любом обычном диоде, ток, проходящий через него, возрастает при увеличении подаваемого напряжения. Когда же стабилитрон имеет обратное смещение, то ток бывает минимальным до того момента, пока подаваемое напряжение не достигнет значения напряжения пробоя для данного диода. Когда такое напряжение достигается, то происходит значительное увеличение протекающего тока. Однако, в отличие от обычного диода, стабилитрон предназначен для работы в условиях обратного смещения в зоне пробоя.

График напряжение-ток для стабилитрона

Напряжение стабилитрона

Необходимое напряжение стабилитрона — это то напряжение, при котором происходит пробой. В процессе изготовления стабилитрона, к основным исходным материалам добавляют определенное количество других материалов, присадок, так что во время работы данного прибора пробой происходит при совершенно конкретном значении напряжения.

Если подаваемое на стабилитрон напряжение превышает установленное для него напряжение пробоя на достаточно большую величину, то тепло, которое сопровождает прохождение через стабилитрон чрезмерного тока, может вызывать серьезные повреждения. Для того, чтобы предотвратить подобные неприятности, цепи со стабилитроном обычно имеют установленный последовательно резистор, который должен ограничивать величину тока, протекающего через стабилитрон. Если выбрано правильное значение сопротивления, то ток в цепи не будет превышать максимальное значение тока для стабилитрона.

Если же подаваемое напряжение меньше, того, на которое рассчитан стабилитрон, то сопротивление протеканию тока будет значительным и этот диод будет оставаться в основном в разомкнутом состоянии, однако, когда подаваемое напряжение станет равно или превысит расчетное напряжение стабилитрона, то сопротивление тока окажется преодоленным, и ток потечет через стабилитрон и по цепи.

При различных значениях напряжения выше напряжения стабилитрона, изменение внутреннего сопротивления возникает в результате изменений обедненной области прибора. В результате этого падение напряжения на стабилитроне будет относительно постоянным. Падение напряжения должно поддерживаться на уровне, близком к значению напряжения стабилитрона. Остальное напряжение источника электропитания понижается на последовательно подключенном резисторе.

Поскольку напряжение на стабилитроне значительно превышает напряжения стабилитрона, то цепь, которую мы только что описали, может быть использована для обеспечения подачи регулируемого напряжения на нагрузку. Если нагрузка включена параллельно со стабилитроном, то падение напряжение на нагрузке будет равно падению напряжения на стабилитроне.

Простая цепь с нагрузкой, соединенной параллельно с стабилитроном

Стабилитрон принцип работы

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон.

Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с “кепочкой” называется также как и у диода – катод, а другой вывод – анод.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева  популярный вид современного стабилитрона, а справа один из  образцов Советского Союза.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 – это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта.  Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

Как же проверить стабилитрон? Да также как и диод! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого PN-перехода.

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов.  В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх – входное напряжение, Uвых.ст.  – выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения.  Здесь все элементарно и просто:

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

Итак, собираем схемку.  Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем Блок питания, а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт!  Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне  5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт,  а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт  – это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

где

Iпр – прямой ток, А

Uпр  – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором  возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Iminэто  сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а  диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр  у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит  такая интересная штука,  как пробой. Короче говоря,  он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока  в стабилитроне. Самое  главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим,  при котором сила тока через стабилитрон  находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением.  На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного. Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации ;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

На Али можно взять сразу целый набор стабилитронов, начиная от 3,3 Вольт и до 30 Вольт.  Выбирайте на ваш вкус и цвет.

— изображение 1″ src=»https://yandex.ru/turbo/avatars/get-snippets_images/1064939/386728c1968baee2f787c79506bb6f4f/828×620″>

 

Вывод с “кепочкой” называется также как и у диода – катод, а другой вывод – анод.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева  популярный вид современного стабилитрона, а справа один из  образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно  увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится  катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона – это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это  понятно и дошкольнику.

Теперь  по аналогии с электроникой. Стакан – это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане – это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом  большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один – лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники – кувшин обладает “напряжением” больше, чем “напряжение” стакана.

Так  вот, дорогие читатели,  в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит,  напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 – это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта.  Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

Как же проверить стабилитрон? Да также как и диод! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого PN-перехода.

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов.  В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх – входное напряжение, Uвых.ст.  – выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения.  Здесь все элементарно и просто:

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

Итак, собираем схемку.  Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем Блок питания, а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт!  Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне  5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт,  а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт  – это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

где

Iпр – прямой ток, А

Uпр  – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором  возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Iminэто  сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а  диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр  у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит  такая интересная штука,  как пробой. Короче говоря,  он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока  в стабилитроне. Самое  главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим,  при котором сила тока через стабилитрон  находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением.  На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного. Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации ;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

Стабилитрон (диод Зенера)

Принцип работы

Полупроводниковый диод блокирует ток в обратном направлении, но будет страдать от преждевременного пробоя или повреждения, если обратное напряжение, приложенное к нему, станет слишком высоким.

Тем не менее, стабилитрон или «пробойный диод», как их иногда называют, в основном совпадают со стандартным PN-переходным диодом, но они специально разработаны для того, чтобы иметь низкое и заданное обратное напряжение пробоя, которое использует любое подаваемое обратное напряжение к этому.

Стабилитрон ведет себя так же, как обычный общего назначения диод, состоящий из кремния PN — перехода, и, когда смещены в прямом направлении, то есть анод положительный по отношению к его катоду, он ведет себя так же , как обычный диод сигнал, проводящий номинальный ток.

Однако, в отличие от обычного диода, который блокирует любой поток тока через себя при обратном смещении, то есть катод становится более положительным, чем анод, как только обратное напряжение достигает заранее определенного значения, стабилитрон начинает проводить в обратное направление.

Это связано с тем, что когда обратное напряжение, подаваемое на стабилитрон, превышает номинальное напряжение устройства, в полупроводниковом обедненном слое происходит процесс, называемый лавинным пробоем, и через диод начинает течь ток, чтобы ограничить это увеличение напряжения.

Ток, текущий в настоящее время через стабилитрон, резко возрастает до максимального значения схемы (которое обычно ограничивается последовательным резистором), и после достижения этого ток обратного насыщения остается довольно постоянным в широком диапазоне обратных напряжений. Точка напряжения, в которой напряжение на стабилитроне становится стабильным, называется «напряжением стабилитрона» ( Vz ), а для стабилитронов это напряжение может составлять от менее одного вольт до нескольких сотен вольт.

Точка, в которой напряжение стабилитрона запускает ток, протекающий через диод, может очень точно контролироваться (с допустимым отклонением менее 1%) на стадии легирования полупроводниковой конструкции диодов, давая диоду определенное напряжение пробоя стабилитрона Vz например, 4,3 В или 7,5 В. Это напряжение пробоя стабилитрона на кривой IV представляет собой почти вертикальную прямую линию.

Характеристики стабилитрона I-V

Стабилитрон используется в его «обратном смещении» или обратном режиме пробоя, т.е. анод диода подключается к отрицательному питанию. Из приведенной выше кривой характеристик I-V видно, что стабилитрон имеет область обратного смещения почти постоянного отрицательного напряжения независимо от величины тока, протекающего через диод, и остается почти постоянной даже при больших изменениях тока, пока ток стабилитронов остается между током пробоя I Z (мин) и максимальным номинальным током I Z (макс.) .

Эта способность к самоконтролю может быть в значительной степени использована для регулирования или стабилизации источника напряжения от изменений напряжения или нагрузки. Тот факт, что напряжение на диоде в области пробоя практически постоянное, оказывается важной характеристикой стабилитрона, так как его можно использовать в простейших типах устройств с регулятором напряжения.

Функция регулятора состоит в том, чтобы обеспечивать постоянное выходное напряжение для нагрузки, подключенной параллельно с ним, несмотря на пульсацию в напряжении питания или изменение тока нагрузки, стабилитрон продолжит регулировать напряжение до тех пор, пока ток диода не будет падать ниже минимального значения I Z (min) в области обратного пробоя.

Диодный стабилитрон

Стабилитроны могут использоваться для получения стабилизированного выходного напряжения с низкой пульсацией в условиях переменного тока нагрузки. Пропуская небольшой ток через диод от источника напряжения через подходящий резистор ограничения тока R S, стабилитрон будет проводить ток, достаточный для поддержания падения напряжения V out .

Мы помним из предыдущих уроков, что выходное напряжение постоянного тока от полу- или двухполупериодных выпрямителей содержит пульсации, наложенные на напряжение постоянного тока, и что при изменении значения нагрузки изменяется и среднее выходное напряжение. Подключив простую схему стабилитрона, как показано ниже, к выходу выпрямителя, можно получить более стабильное выходное напряжение.

Резистор R S соединен последовательно с стабилитроном для ограничения тока, протекающего через диод с источником напряжения, при этом V S подключается через комбинацию. Стабилизированное выходное напряжение V out берется через стабилитрон. Стабилитрон соединен с его катодной клеммой, подключенной к положительной шине источника постоянного тока, поэтому он имеет обратное смещение и будет работать в своем состоянии пробоя. Резистор R S выбран таким образом, чтобы ограничить максимальный ток, протекающий в цепи.

При отсутствии нагрузки, подключенной к цепи, ток нагрузки будет равен нулю I L  = 0 , и весь ток цепи проходит через стабилитрон, который, в свою очередь, рассеивает свою максимальную мощность. Также небольшое значение последовательного резистора RS приведет к большему току диода, когда сопротивление нагрузки R L подключено, и будет большим, так как это увеличит требования к рассеиваемой мощности диода, поэтому следует соблюдать осторожность при выборе подходящего значения серии сопротивление, чтобы максимальная номинальная мощность стабилитрона не превышалась в условиях отсутствия нагрузки или высокого импеданса.

Нагрузка подключается параллельно с стабилитроном, поэтому напряжение на R L всегда совпадает с напряжением на стабилитроне V R  = V Z. Существует минимальный ток стабилитрона, для которого эффективна стабилизация напряжения, и ток стабилитрона должен всегда оставаться выше этого значения, работающего под нагрузкой в ​​пределах его области пробоя. Верхний предел тока, конечно, зависит от номинальной мощности устройства. Напряжение питания V S должно быть больше, чем V Z .

Одна небольшая проблема с цепями стабилизатора стабилитрона состоит в том, что диод может иногда генерировать электрический шум в верхней части источника постоянного тока, когда он пытается стабилизировать напряжение. Обычно это не является проблемой для большинства устройств, но может потребоваться добавление развязывающего конденсатора большого значения на выходе стабилитрона, чтобы обеспечить дополнительное сглаживание.

Подведем небольшой итог. Стабилитрон всегда работает в обратном смещенном состоянии. Схема регулятора напряжения может быть разработана с использованием стабилитрона для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока на нагрузке, несмотря на изменения входного напряжения или изменения тока нагрузки. Стабилизатор напряжения Зенера состоит из токоограничивающего резистора R S, соединенного последовательно с входным напряжением V S, с стабилитроном, подключенным параллельно с нагрузкой R L в этом состоянии с обратным смещением. Стабилизированное выходное напряжение всегда выбирается равным напряжению пробоя V Z диода.

Напряжение стабилитрона

Помимо создания единого стабилизированного выходного напряжения, стабилитроны могут также быть соединены друг с другом последовательно, наряду с обычными диодами сигнала кремния для получения множества различных выходных значений опорного напряжения, как показано ниже.

Стабилитроны, соединенные последовательно

Значения отдельных стабилитронов могут быть выбраны в соответствии с применением, в то время как кремниевый диод всегда будет падать примерно на 0,6 — 0,7 вольт в режиме прямого смещения. Напряжение питания V > IN следует, конечно, выше , чем наибольший выход опорного напряжения , а в нашем примере выше, это 19v.

Типичный стабилитрон для общих электронных схем — 500 мВт серии BZX55 или более крупный 1,3 Вт серии BZX85, в которой напряжение стабилитрона задается, например, как C7V5 для диода 7,5 В, что дает эталонный номер диода BZX55C7V5 .

Стабилитроны серии 500 МВт доступны в диапазоне от 2,4 до 100 Вольт и обычно имеют ту же последовательность значений, что и для серии резисторов 5% (E24), а индивидуальные номинальные напряжения для этих небольших, но очень полезных диодов приведены в таблица ниже.

Стандартные напряжения стабилитрона

Мощность стабилитрона BZX55 500 мВт

2.4V 2.7V 3.0V 3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V
5.1V 5.6V 6.2V 6,8 В 7.5V 8.2V 9.1V 10V
11V 12V 13V 15V 16V 18V 20V 22V
24V 27В 30V 33V 36V 39V 43V 47V

Мощность стабилитрона BZX85 1,3 Вт

3.3V 3.6V 3.9V 4.3V 4.7V 5.1V 5,6 6.2V
6,8 В 7.5V 8.2V 9.1V 10V 11V 12V 13V
15V 16V 18V 20V 22V 24V 27В 30V
33V 36V 39V 43V 47V 51V 56V 62V

Схемы стабилитрона

До сих пор мы рассматривали, как стабилитрон можно использовать для регулирования источника постоянного тока, но что если бы входной сигнал был не постоянный ток, а переменный сигнал переменного тока, как бы стабилитрон реагировал на постоянно меняющийся сигнал?

Цепи диодного ограничения и зажима — это схемы, которые используются для формирования или изменения формы входного сигнала переменного тока (или любой синусоиды), создавая выходной сигнал различной формы в зависимости от схемы расположения. Цепи диодного ограничителя также называют ограничителями, поскольку они ограничивают или отсекают положительную (или отрицательную) часть входного сигнала переменного тока. Поскольку схемы ограничителя Зенера ограничивают или обрезают часть формы волны через них, они в основном используются для защиты схемы или в схемах формирования формы волны.

Например, если бы мы хотели обрезать выходной сигнал при + 7,5 В, мы бы использовали стабилитрон 7,5 В. Если выходной сигнал пытается превысить предел 7,5 В, стабилитрон «обрезает» избыточное напряжение на входе, создавая сигнал с плоским верхом, сохраняя при этом выходную постоянную на уровне + 7,5 В. Обратите внимание, что в состоянии прямого смещения стабилитрон все еще является диодом, и когда выходной сигнал переменного тока становится отрицательным ниже -0,7 В, стабилитрон включается, как и любой нормальный кремниевый диод, и обрезает выход при -0,7 В, как показано ниже.

Прямоугольная волна

Подключенные друг к другу стабилитроны могут быть использованы в качестве регулятора переменного тока, производящего то, что в шутку называют «генератор прямоугольной волны бедняка». Используя эту схему, мы можем обрезать осциллограмму между положительным значением + 8,2 В и отрицательным значением -8,2 В для стабилитрона 7,5 В.

Так, например, если бы мы хотели обрезать выходной сигнал между двумя различными минимальными и максимальными значениями, скажем, + 8 В и -6 В, мы просто использовали бы два стабилитрона с разными номиналами. Обратите внимание, что выход фактически обрезает сигнал переменного тока между + 8,7 В и -6,7 В из-за добавления напряжения прямого диода смещения.

Другими словами, пиковое напряжение составляет 15,4 вольт вместо ожидаемых 14 вольт, поскольку прямое падение напряжения смещения на диоде добавляет еще 0,7 вольт в каждом направлении.

Этот тип конфигурации ограничителя довольно распространен для защиты электронной схемы от перенапряжения. Два стабилитрона, как правило, размещаются на входных клеммах источника питания, и во время нормальной работы один из стабилитронов имеет значение «ВЫКЛ», и эти диоды практически не влияют. Однако, если форма сигнала входного напряжения превышает его предел, тогда стабилитрон включается и включает вход для защиты схемы.

Характеристики, маркировка и принцип работы стабилитрона

Полупроводниковый стабилитрон, или диод Зенера, представляет собой диод особого типа. При прямом включении обычный диод и стабилитрон ведут себя аналогично. Разница между ними проявляется при обратном включении. Обычный диод при подаче обратного напряжения и превышении его номинального значения просто выходит из строя. А  для стабилитрона подключение обратного напряжения и его рост до установленной точки является штатным режимом. При достижении определенной точки обратного напряжения в стабилитроне возникает обратимый пробой. Через устройство начинает течь ток. До наступления пробоя стабилитрон находится в нерабочем состоянии и через него протекает только малый ток утечки.  На электросхемах стабилитрон обозначается как стрелка-указатель, на конце которой имеет черточка, обозначающая запирание. Стрелка указывает направление тока. Буквенное обозначение на схемах – VD.

Устройство

Полупроводниковые стабилитроны пришли на смену морально устаревшим стабилитронам тлеющего разряда – ионным газоразрядным электровакуумным приборам. Для изготовления стабилитронов используются кремниевые или германиевые кристаллы (таблетки) с проводимостью n-типа, в которые добавляют примеси сплавным или диффузно-сплавным способом. Для получения электронно-дырочного p-n перехода используются акцепторные примеси, в основном алюминий. Кристаллы заключают в корпуса из полимерных материалов, металла или стекла.

Кремниевые сплавные стабилитроны Д815 (А-И) выпускаются в металлическом герметичном корпусе, который является положительным электродом. Такие элементы имеют широкий интервал рабочих температур – от -60°C до +100°C. Кремниевые сплавные двуханодные стабилизирующие диоды КС175А, КС182А, КС191А, КС210Б, КС213Б выпускают в пластмассовом корпусе. Кремниевые сплавные термокомпенсированные детали КС211 (Б-Д), используемые в качестве источников опорного напряжения, имеют пластмассовый корпус.

SMD стабилитроны, то есть миниатюрные компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, изготавливаются в основном в стеклянных и пластиковых корпусах. Такие элементы могут выпускаться с двумя и тремя выводами. В последнем случае третий вывод является «пустышкой», никакой смысловой нагрузки не несет и предназначается только для надежной фиксации детали на печатной плате.

Принцип действия

Стабилитрон был открыт американским физиком Кларенсом Мелвином Зенером, именем которого его и назвали. Электрический пробой p-n перехода может быть обусловлен туннельным пробоем (в этом случае пробой носит название Зенеровского), лавинным пробоем, пробоем в результате тепловой неустойчивости, который наступает из-за разрушительного саморазогрева токами утечки.

И инженеры конструируют эти элементы таким образом, чтобы возникновение туннельного и/или лавинного пробоя произошло задолго до того, как в них возникнет вероятность теплового пробоя.

Величина напряжения пробоя зависит от концентрации примесей и способа легирования p-n-перехода. Чем больше концентрация примесей и чем выше их градиент в переходе, тем ниже обратное напряжение, при котором образуется пробой.

  • Туннельный (зенеровский) пробой появляется в полупроводнике в тех случаях, когда напряженность электрического поля в p-n зоне равна 106 В/см. Такая высокая напряженность может возникнуть только в высоколегированных диодах. При напряжениях пробоя, находящихся в диапазоне 4,5…6,7 В, сосуществуют туннельный и лавинный эффекты, а вот при напряжении пробоя менее 4,5 В остается только туннельный эффект.
  • В стабилитронах с небольшими уровнями легирования или меньшими градиентами легирующих добавок присутствует только лавинный механизм пробоя, который появляется при напряжении пробоя примерно 4,5 В. А при напряжении выше 7,2 В остается только лавинный эффект, а туннельный полностью исчезает.

Как было сказано ранее, при прямом подключении стабилитрон при прямом включении ведет себя так же, как и обычный диод, – он пропускает ток. Различия между ними возникают при обратном подключении.

Обычный диод при обратном подключении запирает ток, а стабилитрон при достижении обратным напряжением величины, которая называется напряжением стабилизации, начинает пропускать ток в обратном направлении. Это объясняется тем, что при подаче на стабилитрон напряжения, которое превышает U ном. устройства, в полупроводнике возникает процесс, называемый пробоем. Пробой может быть туннельным, лавинным, тепловым. В результате пробоя ток, протекающий через стабилитрон, возрастает до максимального значения, ограниченного резистором. После достижения напряжения пробоя ток остается примерно постоянным в широком диапазоне обратных напряжений. Точка, в которой напряжение запускает ток, может очень точно устанавливаться в процессе производства легированием. Поэтому каждому элементу присваивают определенное напряжение пробоя (стабилизации).

Стабилитрон используется только в режиме «обратного смещения», то есть его анод подключается к «-» источника питания. Способность стабилитрона запускать обратный ток при достижении напряжения пробоя применяется для регулирования и стабилизации напряжения при изменении напряжения питания или подключенной нагрузки. Использование стабилитрона позволяет обеспечить постоянное выходное напряжение для подключенного потребителя при перепадах напряжения ИП или меняющемся токе потребителя.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ стабилитрона, как и обычного диода, имеет две ветви – прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочим режимом для традиционного диода, а обратная характеризует работу стабилитрона. Стабилитрон называют опорным диодом, а источник напряжения, в схеме которого есть стабилитрон, называют опорным.

На рабочей обратной ветви опорного диода выделяют три основные значения обратного тока:

  • Минимальное. При силе тока, которая меньше минимального значения, стабилитрон остается закрытым.
  • Оптимальное. При изменении тока в широких пределах между точками 1 и 3 значение напряжения меняется несущественно.
  • Максимальное. При подаче тока выше максимальной величины опорный диод перегреется и выйдет из строя. Максимальное значение тока ограничивается максимально допустимой рассеиваемой мощностью, которая очень зависит от внешних температурных условий.

Области применения

Основная область применения этих элементов – стабилизация постоянного напряжения в маломощных ИП или в отдельных узлах, мощность которых не более десятков ватт. С помощью опорных диодов обеспечивают нормальный рабочий режим транзисторов, микросхем, микроконтроллеров.

В стабилизаторах простой конструкции стабилитрон является одновременно источником опорного напряжения и регулятором. В более сложных конструкциях стабилитрон служит только источником опорного напряжения, а для силового регулирования применяется внешний силовой транзистор.

Термокомпенсированные стабилитроны и детали со скрытой структурой востребованы в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения. Для защиты электрической аппаратуры от перенапряжений разработаны импульсные лавинные стабилитроны. Для защиты входов электрических приборов и затворов полевых транзисторов в схему устанавливают рядовые маломощные стабилитроны. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП) изготавливаются с одним кристаллом, на котором расположены: защитный стабилитрон и силовой транзистор.

Основные характеристики

В паспорте стабилизирующего диода указывают следующие параметры:

  • Номинальное напряжение стабилизации Uст. Этот параметр выбирает производитель устройства.
  • Диапазон рабочих токов. Минимальный ток – величина тока, при которой начинается процесс стабилизации. Максимальный ток – значение, выше которого устройство разрушается.
  • Максимальная мощность рассеивания. В маломощных элементах это паспортная величина. В паспортах мощных стабилитронов для расчета условий охлаждения производитель указывает: максимально допустимую температуру полупроводника и коэффициент теплового сопротивления корпуса.

Помимо параметров, указываемых в паспорте, стабилитроны характеризуются и другими величинами, среди которых:

  • Дифференциальное сопротивление. Это свойство определяет нестабильность устройства по напряжению питания и по току нагрузки. Первый недостаток устраняется запитыванием стабилизирующего диода от источника постоянного тока, а второй – включением между стабилитроном и нагрузкой буферного усилителя постоянного тока с эмиттерным повторителем.
  • Температурный коэффициент напряжения. В соответствии со стандартом эта величина равна отношению относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению наружной температуры. В нетермостабилизированных стабилитронах при нагреве от +25°C до +125°C напряжение стабилизации сдвигается на 5-10% от первоначального значения.
  • Дрейф и шум. Эти характеристики для обычных стабилитронов не определяются. Для прецизионных устройств они являются очень важными свойствами. В обычных (непрецизионных) стабилитронах шум создают: большое количество посторонних примесей и дефекты кристаллической решетки в области p-n перехода. Способы снижения шума (если в этом есть необходимость): защитная пассивация оксидом или стеклом (примеси направляются вглубь кристалла) или перемещением вглубь кристалла самого p-n-перехода. Второй способ является более радикальным. Он востребован в диодах с низким уровнем шума со скрытой структурой.

Способы включения – последовательное и параллельное

На детали импортного производства в сопроводительных документах ситуации, при которых возможно последовательное или параллельное соединение, не регламентируются. В документации на отечественные опорные диоды можно встретить два указания:

  • В приборах маленькой и средней мощности можно последовательно или параллельно подсоединять любое количество односерийных стабилитронов.
  • В приборах средней и значительной мощности можно последовательно соединять любое число стабилизирующих диодов единой серии. При параллельном соединении необходимо произвести расчеты. Общая мощность рассеивания всех параллельно подсоединенных стабилитронов не должна быть выше аналогичного показателя одной детали.

Допускается последовательное подключение опорных диодов разных серий в том случае, если рабочие токи созданной цепи не превышают паспортные токи стабилизации для каждой серии, установленной в схеме.

На практике для умножения напряжения стабилизации чаще всего применяют последовательное соединение двух-трех стабилитронов. К этой мере прибегают в том случае, если не удалось достать деталь на нужное напряжение или необходимо создать высоковольтный стабилитрон. При последовательном соединении напряжение отдельных элементов суммируется. В основном этот вид соединения используется при сборке высоковольтных стабилизаторов.

Параллельное соединение деталей служит для того, чтобы повышать ток и мощность. Однако на практике этот вид соединения применяется редко, поскольку различные экземпляры опорных диодов даже одного типа не имеют совершенно одинаковых напряжений стабилизации. Поэтому при параллельном соединении разряд возникнет только в детали с наименьшим напряжением стабилизации, а в остальных пробой не произойдет. Если пробой и возникает, то одни стабилитроны в такой цепи будут работать с недогрузкой, а другие с перегрузкой.

Для стабилизации переменного напряжения стабилитроны соединяются последовательно и встречно. В первый полупериод синусоиды переменного тока один элемент работает как обычный диод, а второй выполняет функции стабилитрона. Во втором полупериоде элементы меняются функциями. Форма выходного напряжения отличается от входного. Ее конфигурация напоминает трапецию. Это связано с тем, что напряжение, превышающее напряжение стабилизации, будет отсекаться и верхушки синусоиды будут срезаны. Последовательное и встречное соединение стабилитронов может применяться в термостабилизированном стабилитроне.

Составные стабилитроны

Составной стабилитрон – устройство, применяемой в ситуациях, когда необходимы токи и мощность большего значения, чем это допускают технические условия. В этом случае между стабилизирующим диодом и нагрузкой подсоединяют буферный усилитель постоянного тока. В схеме коллекторный переход транзистора включен параллельно стабилизирующему диоду, а эммиттерный переход – последовательно.

Схема обычного составного стабилитрона не предназначена для применения на прямом токе. Но добавление диодного моста превращает составной стабилитрон в систему двойного действия, которая может работать и при прямом, и при обратном токе. Такие стабилитроны еще называют двойными или двуханодными. Стабилитроны, которые могут работать с напряжением только одной полярности, называют несимметричными. А составные стабилитроны, дееспособные при любом направлении тока, называют симметричными.

Виды стабилитронов

На современном рынке электроники имеется широкий ассортимент стабилитронов, адаптированных к определенным условиям применения.

Прецизионные

Эти устройства обеспечивают высокую стабильность напряжения на выходе. К ним предъявляются дополнительные требования к временной нестабильности напряжения и температурного коэффициента напряжения. К прецизионным относятся устройства:

  • Термокомпенсированные. В схему термокомпенсированного стабилитрона входят последовательно соединенные: стабилитрон номинальным напряжением 5,6 В (с плюсовым значением температурного коэффициента) и прямоосвещенный диод (с минусовым коэффициентом). При последовательном соединении этих элементов происходит взаимная компенсация температурных коэффициентов. Вместо диода в схеме может использоваться второй стабилитрон, включаемый последовательно и встречно.
  • Со скрытой структурой. Ток пробоя в обычном стабилитроне сосредотачивается в приповерхностном кремниевом слое, где находится максимальное количество посторонних примесей и дефектов кристаллической решетки. Эти несовершенства конструкции провоцируют шум и нестабильную работу. В деталях со скрытой структурой ток пробоя «загоняют» внутрь кристалла путем формирования глубокого островка p-типа проводимости.   

Быстродействующие

Для них характерны: низкое значение барьерной емкости, всего десятки пикофарад, и краткий период переходного процесса (наносекунды). Такие особенности позволяют опорному диоду ограничивать и стабилизировать кратковременные импульсы напряжения.

Стабилизирующие диоды могут быть рассчитаны на напряжение стабилизации от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Высоковольтные стабилитроны устанавливаются на специальные охладители, способные обеспечить нужный теплообмен и уберечь элемент от перегрева и последующего разрушения.

Регулируемые стабилитроны

При изготовлении стабилизированных блоков питания необходимый стабилитрон может отсутствовать. В этом случае собирают схему регулируемого стабилитрона.

Нужное напряжение стабилизирующего диода подбирают при помощи резистора R1. Для настройки схемы на место резистора R1 подключают переменный резистор номиналом 10 кОм. После получения нужного значения напряжения определяют полученное сопротивление и устанавливают на постоянное место резистор нужного номинала. Для этой схемы можно применить транзисторы КТ342А, КТ3102А.

Способы маркировки

На корпусе детали имеется буквенная или буквенно-цифровая маркировка, которая характеризует электрические свойства и назначение устройства. Различают два типа маркировки. Детали в стеклянном корпусе маркируются привычным образом. На поверхности элемента пишут напряжение стабилизации с использованием буквы V, которая выполняет функцию десятичной запятой. Маркировка из четырех цифр и буквы в конце менее понятна. Расшифровать ее можно только с помощью даташита.

Еще один способ обозначения стабилизирующих диодов – цветовая маркировка. Часто применяется японский вариант, который представляет собой два или три цветных кольца. При наличии двух колец, каждое из них обозначает определенную цифру. Если второе кольцо нанесено в удвоенном варианте, то это означает, что между первой и второй цифрой надо поставить запятую.

Как отличить стабилитрон от обычного диода

Оба эти элемента имеют схожее обозначение на схеме. На практике отличить стабилитрон от обычного диода  и даже узнать его номинал, если оно не более 35 В, можно с помощью приставки к мультиметру.

Схема приставки к мультиметру

Для выполнения генератора с широтно-импульсной модуляцией используется специализированная микросхема MC34063. Чтобы обеспечить гальваническую развязку между ИП и измерительной частью схемы напряжение контролируют на первичной обмотке трансформатора. Это позволяет сделать выпрямитель на VD2. Точка стабилизации выходного напряжения устанавливается с помощью резистора R3. Напряжение на конденсаторе С4 – примерно 40 В. Стабилизатор тока А2 и проверяемый опорный диод составляют параметрический стабилизатор, а мультиметр, подключенный к выводам схемы, позволяет определить напряжение стабилитрона.

Если диод подключить в обратной полярности (анод к «-», а катод к «+»), то мультиметр для обычного диода покажет 40 В, а для стабилитрона – напряжение стабилизации.

Для определения работоспособности стабилитрона с известным номиналом используют простую схему, состоящую из источника питания и токоограничительного резистора на 300…500 Ом. В этом случае с помощью мультиметра определяют не сопротивление перехода, а напряжение. Включают элементы, как показано на схеме, и меряют напряжение на стабилитроне.

Медленно поднимают напряжение блока питания. На значении напряжения стабилизации напряжение на стабилитроне должно прекратить свой рост. Если это произошло, значит, элемент исправен. Если при последующем увеличении напряжения ИП диод не начинает стабилизировать, значит, он не исправен.

Как правильно подобрать стабилитрон?

Стабилитроны относятся к стабилизаторам небольшой мощности. Поэтому их необходимо подбирать так, чтобы через них без перегрева мог проходить весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации.

Для правильного выбора стабилитрона для электрической схемы необходимо знать следующие параметры: минимальное и максимальное входное напряжение, напряжение на выходе, минимальный и максимальный ток нагрузки. Напряжение стабилизации стабилитрона равно выходному напряжению. А рассчитать максимальный ток, который может пройти через стабилитрон в конкретной схеме, и мощность рассеивания при максимальном токе, лучше всего с помощью онлайн-калькулятора. 

Содержание драгоценных металлов в стабилитронах

В стабилитронах, как и в других полупроводниках – обычных диодах, тиристорах, варикапах, из драгоценных металлов содержится, в основном, серебро, в некоторых – золото. Конкретное количество указывается в специальных таблицах. Содержание палладия и платины, даже если они и присутствуют в полупроводниках, обычно не указывается, поскольку их концентрация ничтожно мала.

Стабилитрон — это что такое и для чего он нужен?

Стабилитрон — это полупроводниковый диод с уникальными свойствами. Если обычный полупроводник при обратном включении является изолятором, то он выполняет эту функцию до определенного роста величины приложенного напряжения, после чего происходит лавинообразный обратимый пробой. При дальнейшем увеличении протекающего через стабилитрон обратного тока напряжение продолжает оставаться постоянным за счет пропорционального уменьшения сопротивления. Таким путем удается добиться режима стабилизации.

В закрытом состоянии через стабилитрон сначала проходит небольшой ток утечки. Элемент ведет себя как резистор, величина сопротивления которого велика. При пробое сопротивление стабилитрона становится незначительным. Если дальше продолжать повышать напряжение на входе, элемент начинает греться и при превышении током допустимой величины происходит необратимый тепловой пробой. Если дело не доводить до него, при изменении напряжения от нуля до верхнего предела рабочей области свойства стабилитрона сохраняются.

Когда напрямую включается стабилитрон, характеристики не отличаются от диода. При подключении плюса к p-области, а минуса — к n-области сопротивление перехода мало и ток через него свободно протекает. Он нарастает с увеличением входного напряжения.

Стабилитрон — это особый диод, подключаемый большей частью в обратном направлении. Элемент сначала находится в закрытом состоянии. При возникновении электрического пробоя стабилитрон напряжения поддерживает его постоянным в большом диапазоне тока.

На анод подается минус, а на катод — плюс. За пределами стабилизации (ниже точки 2) происходит перегрев и повышается вероятность выхода элемента из строя.

Характеристики

Параметры стабилитронов следующие:

  • Uст — напряжение стабилизации при номинальном токе Iст;
  • Iст min — минимальный ток начала электрического пробоя;
  • Iст max — максимальный допустимый ток;
  • ТКН — температурный коэффициент.

В отличие от обычного диода, стабилитрон — это полупроводниковое устройство, у которого на вольт-амперной характеристике области электрического и теплового пробоя достаточно далеко расположены друг от друга.

С максимально допустимым током связан параметр, часто указываемый в таблицах — мощность рассеивания:

Pmax = Iст max∙ Uст.

Зависимость работы стабилитрона от температуры может быть как с положительным ТКН, так и отрицательным. При последовательном подключении элементов с разными по знакам коэффициентами создаются прецизионные стабилитроны, не зависящие от нагрева или охлаждения.

Схемы включения

Типовая схема простого стабилизатора, состоит из балластного сопротивления Rб и стабилитрона, шунтирующего нагрузку.

В некоторых случаях происходит нарушение стабилизации.

  1. Подача на стабилизатор большого напряжения от источника питания при наличии на выходе фильтрующего конденсатора. Броски тока при его зарядке могут вызвать выход из строя стабилитрона или разрушение резистора Rб.
  2. Отключение нагрузки. При подаче на вход максимального напряжения ток стабилитрона может превысить допустимый, что приведет к его разогреву и разрушению. Здесь важно соблюдать паспортную область безопасной работы.
  3. Сопротивление Rб подбирается небольшим, чтобы при минимально возможной величине напряжения питания и максимально допустимом токе на нагрузке стабилитрон находился в рабочей зоне регулирования.

Для защиты стабилизатора применяются тиристорные схемы защиты или плавкие предохранители.

Резистор Rб рассчитывается по формуле:

Rб = (Uпит — Uном )(Iст + Iн).

Ток стабилитрона Iст выбирается между допустимыми максимальным и минимальным значениями, в зависимости от напряжения на входе Uпит и тока нагрузки Iн.

Выбор стабилитронов

Элементы имеют большой разброс по напряжению стабилизации. Чтобы получить точное значение Uн, стабилитроны подбираются из одной партии. Есть типы с более узким диапазоном параметров. При большой мощности рассеивания элементы устанавливают на радиаторы.

Для расчета параметров стабилитрона необходимы исходные данные, например, такие:

  • Uпит = 12-15 В — напряжение входа;
  • Uст = 9 В — стабилизированное напряжение;
  • Rн = 50-100 мА — нагрузка.

Параметры характерны для устройств с небольшим потреблением энергии.

Для минимального входного напряжения 12 В ток на нагрузке выбирается по максимуму — 100 мА. По закону Ома можно найти суммарную нагрузку цепи:

R∑ = 12 В / 0,1 А = 120 Ом.

На стабилитроне падение напряжения составляет 9 В. Для тока 0,1 А эквивалентная нагрузка составит:

Rэкв = 9 В / 0,1 А = 90 Ом.

Теперь можно определить сопротивление балласта:

Rб = 120 Ом — 90 Ом = 30 Ом.

Оно выбирается из стандартного ряда, где значение совпадает с расчетным.

Максимальный ток через стабилитрон определяется с учетом отключения нагрузки, чтобы он не вышел из строя в случае, если какой-либо провод отпаяется. Падение напряжения на резисторе составит:

UR = 15 — 9 = 6 В.

Затем определяется ток через резистор:

IR = 6/30 = 0,2 А.

Поскольку стабилитрон подключен к нему последовательно, Ic = IR = 0,2 А.

Мощность рассеивания составит P = 0,2∙9 = 1,8 Вт.

По полученным параметрам подбирается подходящий стабилитрон Д815В.

Симметричный стабилитрон

Симметричный диодный тиристор представляет собой переключающий прибор, проводящий переменный ток. Особенностью его работы является падение напряжения до нескольких вольт при включении в диапазоне 30-50 В. Его можно заменить двумя встречно включенными обычными стабилитронами. Устройства применяют в качестве переключающих элементов.

Аналог стабилитрона

Когда не удается подобрать подходящий элемент, используют аналог стабилитрона на транзисторах. Их преимуществом является возможность регулирования напряжения. Для этого можно применять усилители постоянного тока с несколькими ступенями.

На входе устанавливают делитель напряжения с подстроечным резистором R1. Если входное напряжение возрастает, на базе транзистора VT1 оно также увеличивается. При этом растет ток через транзистор VT2, который компенсирует увеличение напряжения, поддерживая тем самым его стабильным на выходе.

Маркировка стабилитронов

Выпускаются стеклянные стабилитроны и стабилитроны в пластиковых корпусах. В первом случае на них наносятся 2 цифры, между которыми располагается буква V. Надпись 9V1 обозначает, что Uст = 9,1 В.

На пластиковом корпусе надписи расшифровываются с помощью даташита, где также можно узнать другие параметры.

Темным кольцом на корпусе обозначается катод, к которому подключается плюс.

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

  1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
  2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
  3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
  4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
  5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
  6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

//www.youtube.com/embed/NqCaJhS0HGU?feature=oembed&wmode=opaque

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

  1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
  2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
  3. Внутри катода косвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
  4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
  5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
  6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

  1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
  2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
  3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
  4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
  5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

  1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
  2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
  3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
  4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
  5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
  6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
  7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

  1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
  2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
  3. По мере роста обратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
  4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

  1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
  2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

  1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
  2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
  3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
  4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
  5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
  6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
  7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.
Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Минимальный ток стабилизации стабилитроне это



Как работает стабилитрон

Немного теории

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-). Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое “стабильность”. На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный – это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа радиоэлектронной аппаратуры. Если оно изменится в меньшую, или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать “играющее” напряжение.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с “кепочкой” называется также как и у диода – катод, а другой вывод – анод.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева популярный вид современного стабилитрона, а справа один из образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона – это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это понятно и дошкольнику.

Теперь по аналогии с электроникой. Стакан – это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане – это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один – лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники – кувшин обладает “напряжением” больше, чем “напряжение” стакана.

Так вот, дорогие читатели, в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит, напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 – это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта. Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон


Как же проверить стабилитрон? Да также как и диод! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого PN-перехода.

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов. В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх – входное напряжение, Uвых.ст. – выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения. Здесь все элементарно и просто:

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

Итак, собираем схемку. Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем блок питания, а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт! Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне 5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт, а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт – это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

Iпр – прямой ток, А

Uпр – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Iminэто сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит такая интересная штука, как пробой. Короче говоря, он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax , иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим, при котором сила тока через стабилитрон находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного. Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации ;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

На Али можно взять сразу целый набор стабилитронов, начиная от 3,3 Вольт и до 30 Вольт. Выбирайте на ваш вкус и цвет.

Можете посмотреть видео на тему “КАК РАБОТАЕТ СТАБИЛИТРОН (ДИОД ЗЕНЕРА)”, рекомендую.

Источник

Что такое стабилитрон

Стабилитрон — это специальный полупроводниковый диод, работающий в режиме пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения. В зарубежной литературе стабилитрон называют диодом Зенера (Zener diode), по имени Кларенса Зенера, который открыл один из механизмов электрического пробоя. Вообще существует тунельный, лавинный и тепловой пробои. На первых двух стабилитроны работают, а от последнего они выходят из строя. Но о пробоях мы рассуждать не будем, нам нужно понять, что такое стабилитрон, каков принцип его работы и как его можно использовать.

Обозначение стабилитрона

На электрических схемах стабилитрон обозначается символом диода с небольшой закорючкой у катода и буквенным обозначением VD.

Также существуют другие варианты обозначений стабилитрона, которые используются на зарубежных схемах.

Как видно из рисунка, у стабилитрона два вывода — это катод и анод. Следовательно, есть всего два варианта его включения:

— включение в прямом направлении, когда анод подключается к плюсу питания, а катод к минусу,
— включение в обратном направлении, когда анод подключается к минусу питания, а катод к плюсу.

В прямом включении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а вот в обратном включении в стабилитроне возникает тот самый пробой. Чтобы понять, что при этом происходит, давайте посмотрим на вольтамперную характеристику стабилитрона.

Как работает стабилитрон

Правая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено напряжение в прямом направлении. Левая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено обратное напряжение. Похожа на характеристику диода, но пробой (участок, где загибается график) у стабилитрона наступает гораздо раньше диода. Нас интересует левая часть графика.

Вот мы подключили стабилитрон к источнику питания в обратном направлении и начинаем медленно повышать напряжение. Пока приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, оно растет, через стабилитрон течет незначительный ток утечки Io (микроамперы, а то и меньше), пробоя нет. На этом участке стабилитрон ведет себя как резистор с очень большим сопротивлением.

В какой-то момент ток начнет возрастать, а напряжение замедлит свой рост — это значит что возникает начальная стадия пробоя стабилитрона. Его сопротивление падает, что можно наблюдать по «загибанию» вольтамперной характеристики.

При дальнейшем повышении напряжения источника питания, ток через стабилитрон будет увеличиваться значительно, а напряжение нет. Стабилитрон ведет себя как резистор с маленьким сопротивлением. Это рабочий участок характеристики, где напряжение на стабилитроне, грубо говоря, постоянно.

Снова повышаем напряжение, ток продолжает расти, стабилитрон начинает греться. Когда ток превысит максимально допустимое значение, стабилитрон перегреется и выйдет из строя.

Если не доводить дело до теплового пробоя, а снизить напряжение до нуля — вольтамперная характеристика повторится в обратном направлении.

Параметры стабилитрона

Какие параметры характеризуют стабилитрон? Базовые параметры — это напряжение стабилизации, минимальный ток стабилизации и мощность рассеяния.

Напряжение стабилизации Uст (в зарубежной литературе Uz, zener voltage) — это, грубо говоря, рабочее напряжение стабилитрона. А если по умному, то это напряжение на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации.

Как правило, стабилитроны одного типа имеют небольшой разброс напряжения стабилизации, поэтому в документации указывается минимальное, номинальное и максимальное напряжение стабилизации при заданной температуре и токе.

Минимальный ток стабилизации Iст мин (Iz) — величина тока, при которой стабилитрон «выходит» на свой рабочий участок вольтамперной характеристики. По сути, это точка с которой начинается «излом» характеристики.

Мощность рассеяния стабилитрона P — параметр определяющий максимально допустимый ток стабилитрона. Если принять, что напряжение на стабилитроне в рабочем режиме не меняется, то максимальный ток можно вычислить как P/Uст. Также можно прикинуть максимальный ток в прямом направлении P/Uf = P / 0,7. Мощность рассеяния стабилитрона зависит от его конструкции корпуса (и площади p-n перехода). Обычно этот параметр указывается в разделе «absolute maximum ratings».

Схема включения стабилитрона

Типовая схема включения стабилитрона — это схема простого стабилизатора напряжения. Она включает в себя стабилитрон и резистор для ограничения тока (источник питания и нагрузка на схеме не нарисована). На вход схемы подается нестабилизированное постоянное напряжение большее напряжения стабилизации на несколько вольт, на выходе схемы получается стабилизированное напряжение равное Uz (напряжению стабилизации) используемого стабилитрона.

Такой стабилизатор напряжения можно использовать для питания мало потребляемых схем, потому что из-за резистора он не способен «отдать» в нагрузку большой ток.

Как видно из рисунка, входной ток распределяется между стабилитроном и нагрузкой. Если нагрузка не потребляет ток, стабилитрон «забирает» весь ток на себя, и при большом его значении может перегореть. Если ток нагрузки становиться большим, то стабилитрону «достается» меньше току, напряжение на нем падает и он уже не может выполнять свои функции.

Номинал резистора R1 рассчитывается по формуле:

R = (Uin — Uz)/(Iz + I)

где Uin — входное напряжение (В),
Uz — номинальное напряжение стабилизации (В),
Iz — ток стабилитрона (А),
I — ток нагрузки (А).

Ток стабилитрона Iz нужно выбирать между минимальным и максимальным значениями, исходя из изменений входного напряжения и тока нагрузки. Минимальный ток стабилизации задается в документации, а максимальный ток можно посчитать из максимальной рассеиваемой мощности.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Показатель Линейный источник питания Импульсный источник питания
Стоимость Низкая Высока
Масса Большая Небольшая
ВЧ-шум Отсутствует Высокий
КПД 35 — 50 % 70 — 90 %
Несколько выходов Нет Есть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток Iобр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение Uобр на диоде до определённого значения Uобр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации Uст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации Iст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности Pmax, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации Iст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями Iст.max и Iст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации ΔiCT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения Uпр и максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки Rн тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = Ust – напряжение стабилизации;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, IH = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (Ust = 5,1 В, дифференциальное сопротивление rst = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений Iст.max и Pmax стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки RH. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h31e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.

Коэффициент стабилизации будет равен

где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки RH. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где Rk – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник

Минимальный ток стабилизации стабилитроне это

Ознакомиться с основными фотометрическими величинами; ознакомиться с принципом работы фотометра; проверить выполнение закона Ламберта для источника света

Общие сведения

Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации уровня напряжения и т. д. Полупроводниковый стабилитрон представляет собой плоскостной диод, выполненный из сильно легированного кремния. Для стабилитронов рабочим является участок электрического пробоя ВАХ в области обратных напряжений рис. 1,а. На этом участке напряжение на диоде остается практически постоянным при изменении тока через диод.

Рис. 1

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 1,а. В рабочей области вольт-амперную характеристику стабилитрона можно аппроксимировать выражением:

Для стабилизации малых напряжений (до 1В) используют стабисторы- кремниевые диоды, у которых для стабилизации используется прямая ветвь ВАХ. Основные параметры стабилитрона:

Номинальное напряжение стабилизации \(U_\) ном — напряжение на стабилитроне в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации).

Минимальный ток стабилизации \(I_\) — наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив.

Максимально допустимый ток стабилизации \(I_\) — наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы.

Дифференциальное сопротивление rдиф — отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: \(r_\)= \(\Delta U_ / \Delta I_\).

Температурный коэффициент напряжения стабилизации- отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды: \(ТКН_ =\Delta U_ /(U_ \Delta T)\).

К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой ток Imax, максимально допустимый импульсный ток \(I_\) , максимально допустимую рассеиваемую мощность \(Р_\).

Источник

Основы

: Введение в стабилитроны

Стабилитроны

— это особый тип полупроводниковых диодов — устройств, которые позволяют току течь только в одном направлении, которые также позволяют току течь в противоположном направлении, но только при достаточном напряжении. И хотя это звучит немного эзотерически, на самом деле они являются одними из самых удобных компонентов, когда-либо встречавшихся на рабочем месте инженера, обеспечивая отличные решения для ряда общих потребностей в схемотехнике.

Далее мы покажем вам, как (и когда) использовать стабилитрон для приложений, включая простые опорные напряжения, ограничение сигналов до определенных диапазонов напряжения и снижение нагрузки на регулятор напряжения.

Справочная информация: Полупроводниковые диоды, настоящие и идеальные

Чтобы понять, чем стабилитроны отличаются от других диодов, давайте сначала рассмотрим свойства обычных диодов. И хотя существует много различных типов диодов — см. Здесь длинный список — мы собираемся сосредоточиться на так называемых «нормальных» полупроводниковых диодах, чаще всего построенных с кремниевым p-n переходом.

Диоды обычно поставляются в стеклянных или пластиковых цилиндрических корпусах, маркированных полосой с одной стороны для обозначения полярности.В идеальном диоде ток течет только в одном направлении, от анода (положительная сторона) к катоду (отрицательная сторона), отмеченному полосой. Схематический символ представляет собой треугольник, указывающий на полосу, где ток течет в том же направлении, к концу с перемычкой (полосой). Версии диодов для поверхностного монтажа, как правило, следуют одному и тому же соглашению о маркировке, где катодный конец маркируется широкой полосой.

Если мы подключим диод в простую схему с источником переменного напряжения и ограничивающим ток резистором, мы сможем измерить ток I через диод, когда к нему приложено заданное напряжение В, .В идеальном диоде ток вообще не проходит, когда напряжение меньше нуля: диод полностью предотвращает обратный ток. Для небольшого положительного напряжения («прямое смещение» или иногда «прямое напряжение») может протекать крошечный ток, а очень большой ток будет течь выше заданного порога. Величина протекающего тока фактически экспоненциальна с увеличением напряжения.

Порог, при котором протекает значительный ток, обычно составляет около 0,7 В для простых полупроводниковых диодов, но может быть и ниже 0.15 В для диодов Шоттки или до 4 В для некоторых типов светодиодов.

Конечно, диод не идеален. В реальных диодах, когда напряжение меняется на противоположное, может течь очень небольшая величина тока (утечка). И, что более важно, каждый диод рассчитан на определенную максимальную величину обратного напряжения. Если вы подадите напряжение более отрицательное, чем этот предел, диод подвергнется «обратному пробою» и начнет проводить значительный ток, но назад, от нормального направления тока диода.Для обычного диода мы бы сказали, что отказал диод , если он начинает проводить ток в этом направлении.

Помимо: Фактическая физика того, что происходит при пробое, довольно интересна; этому поведению способствуют два отдельных эффекта: эффект Зенера и лавинный пробой.

Стабилитроны

Стабилитроны

— это полупроводниковые диоды, которые были изготовлены так, чтобы их обратный пробой происходил при определенном, четко определенном напряжении (его «напряжение стабилитрона»), и которые спроектированы таким образом, чтобы они могли непрерывно работать в этом режиме пробоя.Обычно доступные стабилитроны доступны с пробивными напряжениями («напряжениями стабилитрона») от 1,8 до 200 В.

Схематический символ стабилитрона показан выше — он очень похож на обычный диод, но с загнутыми краями на полосе. Стабилитрон по-прежнему проводит электричество в прямом направлении, как любой другой диод, но также проводит в обратном направлении, если приложенное напряжение обратное и больше, чем напряжение пробоя стабилитрона.

Типичное применение может быть таким, как указано выше: стабилитрон 10 В (тип 1N4740) включен последовательно с резистором и фиксированным источником питания 12 В. Номинал резистора выбирается таким образом, чтобы через него и через стабилитрон протекало несколько мА, удерживая его в области пробоя. В приведенной выше схеме напряжение на стабилитроне составляет 10 В, а на резисторе — 2 В. При 2 В на резисторе 400 Ом ток через этот резистор (и диод последовательно) составляет 5 мА.

Опоры напряжения Зенера

Стабилитроны с фиксированным напряжением делают их очень удобными в качестве источников быстрого опорного напряжения.Базовая схема выглядит так:

Необходимо учитывать несколько требований. Во-первых, входное напряжение должно быть выше напряжения стабилитрона. Во-вторых, номинал резистора должен быть выбран таким, чтобы через стабилитрон всегда протекал ток.

Некоторые предостережения: Это не обязательно хороший источник питания для всех целей — резистор ограничивает ток, который можно потреблять. Это также не обязательно опорное напряжение с точностью ; напряжение будет зависеть от величины потребляемого тока.(То есть, чтобы напряжение было стабильным, нагрузка, управляемая этим опорным напряжением, должна быть постоянной.) Напряжение также зависит от температуры. Стабилитроны в диапазоне 5-6 В имеют лучшую температурную стабильность, и есть высокоточные стабилитроны (например, LM399), которые включают в себя собственную термостабилизированную печь, чтобы в дальнейшем поддерживать температуру диода как можно более стабильной.

Развивая эту идею немного дальше, вы можете создать полноценный многорельсовый источник питания, используя только набор стабилитронов для генерации всех необходимых напряжений, при условии, что текущие требования к разным напряжениям питания невысоки. .Схема выше является частью работающего лабораторного прибора.

Клещи для измерения напряжения: ограничение сигналов с помощью стабилитронов

Изменяющийся аналоговый сигнал может быть ограничен довольно узким диапазоном напряжений с помощью одного стабилитрона. Если у вас есть напряжение, которое колеблется между + 7 В и -7 В, вы можете использовать один стабилитрон 4 В, подключенный к земле, чтобы гарантировать, что сигнал не превышает 4 В или опускается ниже -0,7 В (где диод проводит вперед на землю).

Если вы хотите ограничить сигнал, чтобы он никогда не становился отрицательным — например, для входа в аналого-цифровой преобразователь, который принимает сигналы в диапазоне 0-5 В, вы можете подключить анод стабилитрона к шине питания на 1 В вместо земли. Тогда диапазон выходного сигнала будет ограничен диапазоном 0,3 В — 5 В.

Еще один изящный трюк — использовать последовательно два противоположно ориентированных стабилитрона. Это может обеспечить, например, симметричный предел отклонения сигнала от земли.Это также обычная конфигурация для использования стабилитронов в качестве подавителя переходных процессов.

Преобразование напряжения: снижение нагрузки на регулятор

Вот что-то не работает. У нас есть TL750L05, который представляет собой тип линейного регулятора с выходом 5 В, который может выдавать выходной ток до 150 мА, а его нагрузка будет переменной. Нам нужно запитать его от источника 36 В. К сожалению, максимальное входное напряжение TL750L05 составляет 26 В.

Давайте попробуем добавить резистор последовательно, чтобы немного понизить это напряжение:

Наша выходная нагрузка может составлять от 125 мА до 10 мА.Итак, резистор какого номинала у нас подойдет?

Предположим, что мы предполагаем нагрузку 125 мА. Затем снять (скажем) 20 В на резисторе, 20 В / .125 А = 160 Ом. Если мы используем 160 Ом, то при нагрузке 10 мА оно упадет только на 160 Ом × 0,01 А = 1,6 В, а 36 В — 1,6 В все еще больше, чем 26 В. Чтобы быть безопасным для нагрузки 10 мА, мы должны выбрать резистор, который дает нам падение как минимум 11 В для входного сигнала регулятора 25 В. Таким образом, 11 В / 0,01 А = 1100 Ом будет безопасным для нагрузки 10 мА. Но если нагрузка увеличится до 125 мА, падение на 1100 Ом будет V = 0.125 А × 1100 Ом = 137 В, что означает, что на входе регулятора будет ниже 5 В, и он перестанет работать.

Очевидно, что вы не можете выбрать номинал резистора, который действительно работал бы как для низкого, так и для сильноточного случая.

В сторону: Мы пропустили пару незначительных деталей о регуляторах напряжения, которые часто заслуживают внимания. Во-первых, линейный регулятор всегда требует немного больше напряжения на входе, чем на выходе.Эта разница напряжений называется «падением напряжения» и может достигать 0,6 В для TL750L05, так называемого стабилизатора с «малым падением напряжения». Это означает, что при выводе 5 В при 150 мА входная клемма регулятора должна быть на 5,6 В или выше. Мы можем спокойно игнорировать это здесь, потому что 36 В — 137 В все еще ниже 5,6 В.

Вторая небольшая деталь заключается в том, что линейный регулятор на самом деле потребляет немного больше тока на своем входе, чем на выходе. Причина этого в том, что часть тока, протекающего на вход регулятора, течет на землю через его третью «заземляющую» клемму, а не на выходную клемму.Этот «ток покоя» может достигать 12 мА для TL750L05. Это означает, что когда 125 мА выходит из выходной клеммы регулятора, на входную клемму может поступать до 137 мА. В приведенном выше примере это означает, что максимальное падение напряжения на резисторе 1100 Ом было бы более точно оценить как V = 0,137 A × 1100 Ом = 151 В. Опять же, это не меняет нашего анализа.

Давайте попробуем еще раз, на этот раз с нашим другом, стабилитроном.

Наконец, давайте попробуем использовать один жирный стабилитрон на 20 В (тип 1N5357BRLG), чтобы снизить нагрузку.Тогда выход на аноде стабилитрона составляет всего 16 В, что находится в пределах безопасного входного диапазона регулятора. 1N5357BRLG рассчитан на максимальную мощность 5 Вт.

Когда регулятор работает на выходе 125 мА, его входной ток может достигать 137 мА, включая ток покоя, поэтому мощность, рассеиваемая стабилитроном, может достигать 20 В × 0,137 А = 2,74 Вт. Он будет нагреваться, но мы находимся в безопасных условиях эксплуатации стабилитрона, и теперь схема заработает.

Обновлено в апреле 2020 года, чтобы включить примечания о падении напряжения линейного регулятора и тока покоя.

Что такое стабилитрон и как он работает? — Учебники

Вы когда-нибудь задумывались, почему мы используем стабилитрон с обратным смещением, в отличие от обычных диодов, которые работают с прямым смещением? Это потому, что стабилитроны предназначены для «выхода из строя». Большинство из нас знакомы с диодами общего назначения и выпрямительными диодами. Однако существует несколько других типов диодов, предназначенных для специальных целей. Один из них — стабилитрон. Итак, что такое стабилитрон и чем он отличается от обычного диода?

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это кремниевый переходник pn , который позволяет току течь не только в прямом направлении, как в типичных кремниевых или германиевых диодах, но также и в обратном направлении, если напряжение больше, чем напряжение пробоя, известное как Напряжение перегиба Зенера или просто Напряжение Зенера , названное в честь Кларенса Мелвина Зенера, открывшего это электрическое свойство.

На схематическом изображении обычного диода есть прямая линия, представляющая катод, а у стабилитрона — изогнутая линия, напоминающая букву Z (для стабилитрона). В этом есть смысл, правда?

Как работает стабилитрон?

Стабилитроны действуют как обычные диоды при прямом смещении. Тем не менее, они разработаны, чтобы позволить току течь в обратном направлении, когда обратное напряжение становится равным его номинальному напряжению стабилитрона. В отличие от обычных выпрямительных диодов, которые никогда не предназначены для работы при пробое или близком к нему, стабилитрон предназначен для работы в области пробоя.Пробой диода происходит, когда на диод подается обратное напряжение смещения.

Стабилитрон, работающий при пробое, действует как регулятор напряжения, поскольку он поддерживает почти постоянное напряжение, равное напряжению стабилитрона, на своих выводах в заданном диапазоне значений обратного тока. Это постоянное падение напряжения на стабилитроне, вызванное обратным пробоем, представлено символом постоянного напряжения.

Лавина и пробой стабилитрона

Чтобы лучше понять, как работают стабилитроны, давайте рассмотрим два типа обратного пробоя стабилитрона: лавинный пробой и пробой стабилитрона .Лавинный эффект возникает как в выпрямителе, так и в стабилитронах при достаточно высоком обратном напряжении. С другой стороны, пробой стабилитрона происходит в стабилитроне при малых обратных напряжениях. Стабилитрон сильно легирован для уменьшения напряжения пробоя. Это вызывает очень тонкую область истощения. В результате внутри обедненной области существует сильное электрическое поле. Вблизи напряжения пробоя стабилитрона поле в достаточной степени способно вытаскивать электроны из их валентных групп и создавать ток.

Стабилитроны с напряжением пробоя менее примерно 5 В обычно работают при пробое стабилитрона. Устройства с пробивным напряжением выше примерно 5 В обычно работают при лавинном пробое. Однако оба типа называются стабилитронами. Стабилитроны коммерчески доступны с напряжениями пробоя от менее 1 В до более 250 В с указанными допусками от 1% до 20%.

Характеристики пробоя

По мере увеличения обратного напряжения (V R ) обратный ток (I R ) также увеличивается, пока не достигнет тока перегиба стабилитрона (I ZK ).На этот раз начинается эффект пробоя. Импеданс стабилитрона (Z Z ), который представляет собой внутреннее сопротивление стабилитрона, начинает уменьшаться по мере быстрого увеличения обратного тока.

От нижней части изгиба напряжение пробоя стабилитрона (V Z ) остается относительно постоянным, хотя оно немного увеличивается по мере увеличения тока стабилитрона (I Z ). V Z обычно указывается при значении тока Зенера, известном как испытательный ток.

Технические характеристики стабилитрона

Чтобы гарантировать правильную работу стабилитрона в цепи, мы должны учитывать эти важные характеристики.

1. Напряжение стабилитрона (В Z )
Напряжение пробоя, обычно называемое напряжением Зенера, представляет собой смещенное в обратном направлении напряжение, которое заставляет диод проводить ток. Напряжения пробоя обычно составляют от 2,4 В до сотен вольт.

2. Испытательный ток (I Z )
Для каждого стабилитрона напряжение стабилитрона (V Z ) измеряется при заданном испытательном токе стабилитрона (I Z ). Например, напряжение стабилитрона для 1N4732A находится в диапазоне от 4,465 до 4,935 В с типичным значением 4,7 В при испытательном токе 53 мА.

3. Ток колена (I ZK )
Для поддержания диода в состоянии пробоя для регулирования напряжения требуется минимальный ток. Типичные значения составляют от 0,25 до 1 мА для стабилитрона мощностью 1 Вт. Если этот ток не достигается, диод не выйдет из строя в достаточной степени для поддержания номинального напряжения.

4. Максимальный ток (I ZM )
Стабилитрон поддерживает почти постоянное напряжение на своих выводах для значений обратного тока в диапазоне от I ZK до I ZM . Если значение I ZM превышено, стабилитрон может быть поврежден из-за чрезмерного рассеивания мощности.

5. Ток утечки
Обратный ток утечки указан для обратного напряжения, которое меньше напряжения колена.Это означает, что для этих измерений стабилитрон не работает в обратном режиме. Например, для обратного напряжения 1 В в 1N4728A.

6. Номинальная мощность (P Z )
Номинальная мощность показывает максимальную мощность (напряжение x ток), с которой может справиться стабилитрон. (Даже диоды, предназначенные для выхода из строя, могут действительно выйти из строя, если вы превысите их номинальную мощность. Так что будьте осторожны!)

7. Сопротивление стабилитрона (Z Z )
Z Z — максимальное сопротивление стабилитрона при указанном испытательном токе, I Z . Например, для 1N4728A, Z Z составляет 10 Ом при 76 мА. В изгибе характеристической кривой максимальный импеданс стабилитрона Z ZK задан как I ZK , что является током в изгибе кривой. Например, Z ZK составляет 400 Ом при 1 мА для 1N4728A.

8. Температурный коэффициент (TC)
Стабилитроны подвержены влиянию температурных изменений, связанных с их температурным коэффициентом напряжения.Температурный коэффициент определяет процентное изменение напряжения стабилитрона для каждого изменения температуры. Формула для расчета изменения напряжения стабилитрона для заданного изменения температуры перехода (% / ℃) для заданного температурного коэффициента:

Vz — номинальное напряжение стабилитрона
TC — температурный коэффициент
ΔT — изменение температуры

Если температурный коэффициент выражен в мВ / ℃, ΔVz задается как:

Положительный температурный коэффициент означает, что изменение напряжения стабилитрона прямо пропорционально изменению температуры.Следовательно, отрицательный TC означает, что напряжение стабилитрона обратно пропорционально изменению температуры.

9. Спецификация температуры перехода
Для обеспечения надежности диода температура диодного перехода является ключевой. Несмотря на то, что корпус может быть достаточно холодным, активная область может быть намного горячее. В результате некоторые производители указывают рабочий диапазон для самого разветвления. Для нормальной конструкции обычно сохраняется приемлемый запас между максимальной ожидаемой температурой внутри оборудования и места соединения.Внутренняя температура оборудования снова будет выше, чем температура снаружи оборудования. Необходимо следить за тем, чтобы отдельные предметы не становились слишком горячими, несмотря на приемлемую температуру окружающей среды за пределами оборудования.

10. Упаковка
Стабилитроны поставляются в различных корпусах. Основной выбор — между поверхностным монтажом и традиционными сквозными устройствами. Однако выбранный пакет часто определяет уровень рассеивания тепла.Доступные варианты будут подробно описаны в спецификации стабилитронов.


И все! Надеюсь, вы узнали что-то из этого урока о стабилитронах и их работе. Если вы нашли этот урок интересным или полезным, поставьте ему лайк, а если у вас есть вопросы, оставьте его в комментариях ниже. Увидимся в нашем следующем уроке!

Принцип работы и характеристики стабилитронов

Стабилитроны — это диоды, которые действуют как стабилизаторы. Используя состояние обратного пробоя PN-перехода, ток стабилитронов можно изменять в широком диапазоне при неизменном напряжении.

Каталог

I Принцип стабилитронов

Стабилитроны — это диоды, которые действуют как стабилизаторы. Используя состояние обратного пробоя PN-перехода, ток стабилитронов может изменяться в широком диапазоне, в то время как напряжение остается неизменным. Этот диод представляет собой полупроводниковый прибор с очень высоким сопротивлением вплоть до критического напряжения обратного пробоя. В этой критической точке пробоя обратное сопротивление снижается до очень небольшого значения.В этой области с низким сопротивлением ток увеличивается, а напряжение остается постоянным. Стабилитрон разделен по напряжению пробоя. Из-за этой характеристики стабилитрон в основном используется в качестве регулятора напряжения или опорного элемента напряжения. Стабилитроны могут быть подключены последовательно для использования при более высоких напряжениях, а более стабильные напряжения могут быть получены путем последовательного подключения.

Прямая характеристика характеристической кривой вольт-ампер стабилитрона аналогична характеристике обычного диода.Обратной характеристикой является то, что когда обратное напряжение ниже, чем обратное напряжение пробоя, обратное сопротивление очень велико, а обратный ток утечки чрезвычайно мал. Однако, когда обратное напряжение приближается к критическому значению обратного напряжения, обратный ток внезапно увеличивается, что называется пробоем. В этой критической точке пробоя обратное сопротивление внезапно падает до очень небольшого значения. Хотя ток варьируется в большом диапазоне, напряжение на диодах стабильно вблизи напряжения пробоя, что обеспечивает стабилизацию напряжения на диодах.Полупроводниковые диоды предотвращают обратный ток, но если приложенное обратное напряжение становится слишком высоким, может произойти преждевременный пробой или повреждение.

Стабилитроны аналогичны стандартным диодам с PN переходом, но они специально разработаны, чтобы иметь низкое заданное напряжение обратного пробоя. Он использует любое обратное напряжение, приложенное к нему. Стабилитрон ведет себя как обычный диод общего назначения, который сделан из кремниевой структуры PN. При прямом смещении анод расположен относительно своего катода и ведет себя как нормальный сигнальный диод, пропускающий номинальный ток.Однако, в отличие от обычных диодов, которые предотвращают прохождение любого тока через себя при обратном смещении, катод становится более положительным, чем анод, и как только обратное напряжение достигает заданного значения, стабилитрон начинает проводить обратное. Это связано с тем, что когда обратное напряжение на стабилитронах превышает номинальное напряжение устройства, происходит процесс, называемый Лавинный пробой . Слой обеднения полупроводника и ток начинают течь через диоды, чтобы ограничить рост напряжения.

II ВАХ стабилитронов

Рисунок 1. ВАХ стабилитронов

Стабилитроны используются в режиме « обратное смещение » или в режиме обратного пробоя, где подключен анод диода. к отрицательному питанию. Из приведенной выше кривой ВАХ видно, что область характеристики обратного смещения стабилитрона представляет собой почти постоянное отрицательное напряжение, которое не имеет ничего общего с величиной тока, протекающего через диод, и остается почти неизменным, даже если ток сильно меняется.Ток стабилитрона остается между током пробоя I Z (мин.) И максимальным номинальным током I Z (макс.).

Эта способность к самоуправлению может использоваться для регулирования или стабилизации источника напряжения для предотвращения изменений мощности или нагрузки. Тот факт, что напряжение на диоде в области пробоя почти постоянно, оказался важной особенностью стабилитронов, поскольку его можно использовать в простейших приложениях регулятора напряжения.

Регулятор должен обеспечивать постоянное выходное напряжение на нагрузку, подключенную параллельно.Несмотря на колебания напряжения питания или изменение тока нагрузки, стабилитрон будет продолжать регулировать напряжение до тех пор, пока ток диода не упадет ниже минимального значения IZ (min) в области обратного пробоя.

III Стабилитрон на стабилитронах

Стабилитроны можно использовать для получения стабильного выходного напряжения с низкой пульсацией при переменных токах нагрузки. Пропуская небольшой ток от источника напряжения через диод через подходящий токоограничивающий резистор (RS), стабилитрон будет проводить ток, достаточный для поддержания падения напряжения Vout.

Помните, что выходное напряжение постоянного тока полуволнового или двухполупериодного выпрямителя содержит пульсации, наложенные на постоянное напряжение и среднее выходное напряжение при изменении значения нагрузки. Подключив к выходу выпрямителя простую схему стабилитрона, как показано ниже, можно получить более стабильное выходное напряжение.

Рис. 2. Схема стабилитрона

Резистор RS соединен последовательно со стабилитроном для ограничения тока через диод, а VS соединен в комбинации.Регулируемое выходное напряжение Vout снимается с стабилитрона. Катодный вывод стабилитрона подключен к положительной шине источника питания постоянного тока, поэтому он имеет обратное смещение и будет работать в состоянии пробоя. Затем выберите резистор RS, чтобы ограничить максимальный ток, протекающий в цепи.

Без нагрузки, подключенной к цепи, ток нагрузки будет нулевым (IL = 0), и весь ток схемы проходит через стабилитрон, который, в свою очередь, потребляет максимальную мощность. Когда небольшая часть сопротивления нагрузки RLRS приведет к большему току подключения диода, потому что это увеличит требования к рассеиваемой мощности диода.Выбор соответствующего значения последовательного сопротивления, чтобы при отсутствии нагрузки или в условиях высокого импеданса не превышалась максимальная номинальная мощность стабилитрона.

Нагрузка подключена параллельно стабилитрону, поэтому напряжение на RL всегда совпадает с напряжением стабилитрона (V — [R = V ž). Существует минимальный ток Зенера, при котором стабилизация напряжения эффективна, и ток Зенера всегда должен оставаться выше этого значения при работе под нагрузкой в ​​области ее пробоя.Верхний предел тока зависит, конечно, от номинальной мощности устройства. Напряжение питания VS должно быть больше VZ.

Одна небольшая проблема такая же, как и в схеме стабилитрона на стабилитроне. Иногда диод генерирует электрический шум поверх источника постоянного тока, потому что он пытается стабилизировать напряжение. Обычно это не проблема для большинства приложений, но может потребоваться добавить большой развязывающий конденсатор на выходе стабилитрона для достижения сглаживания.

Стабилитроны всегда работают в условиях обратного смещения.Стабилитрон можно использовать для разработки схемы регулятора напряжения для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока на нагрузке в случае изменения входного напряжения или тока нагрузки. Стабилизатор напряжения Зенера состоит из токоограничивающего резистора RS, включенного последовательно с входным напряжением V S. В этом состоянии обратного смещения стабилитрон включен параллельно нагрузке RL. Стабильное выходное напряжение всегда выбирается таким же, как напряжение пробоя VZ диода.

Пример

5.Требуется стабильное питание 0 В от входа постоянного тока 12 В. Стабилитроны имеют максимальную номинальную мощность PZ 2 Вт. Рассчитано с использованием схемы стабилитрона выше:

a). Максимальный ток, протекающий через стабилитрон.

б). Минимальное значение последовательного сопротивления, RS

c). Ток нагрузки IL, если 1k & Omega; нагрузочный резистор подключен через стабилитрон.

г). Ток стабилитрона IZ, при полной нагрузке.

IV Напряжение стабилитрона

Помимо генерирования одного стабильного выходного напряжения, стабилитроны также могут быть подключены последовательно с обычными кремниевыми сигнальными диодами для получения различных выходных значений опорного напряжения, как показано ниже.

Стабилитроны, подключенные последовательно

Рис. 3. Стабилитроны, подключенные последовательно

Стабилитрон, подключенный последовательно,

Значение каждого стабилитрона может быть выбрано в соответствии с приложением, тогда как у кремниевых диодов всегда падает примерно 0,6-0,7 V под смещением переадресации. Напряжение питания Vin, конечно, должно быть выше максимального выходного опорного напряжения, которое в приведенном выше примере составляет 19 В.

Типичная электронная схема типичного стабилитрона — 500 мВт, серия BZX55 или 1.3W, серия BZX85. Например, C7V5 — это диод на 7,5 В, а ссылочный номер диода — BZX55C7V5.

Стабилитроны серии 500 мВт имеют диапазон напряжения приблизительно от 2,4 до 100 В и обычно имеют ту же последовательность значений для серии резисторов 5% (E24). Эти небольшие, но очень полезные диоды имеют разные номиналы напряжения, как показано в таблице ниже.

905 В

905 905

9,1000

905

2 9 16V

2

BZX55 Номинальная мощность стабилитрона 500 мВт


2.4 В

2,7 В

3,0 В

3,3 В

3,6 В

3,9 В

4,3 В

5,6 В

6,2 В

6,8 В

7,5 В

8,2 В

9,1000

12В

13В

15В

16В

18В

20В

3

3

20В

72

2

3 30V

33V

36V

39V

43V

904 77

47V

BZX85 Номинальная мощность стабилитрона 1.3W

79

4,3 В

4,7 В

5,1 В

5,6

6,2 В

6.8В

7,5В

8,2В

9,1В

10В

11В

12В

18V

20V

22V

24V

27V

30V

43V

47V

51V

56V

62V

V a стабилитрон стабилизирует цепь

Так далеко мы изучили стабилитрон

источник питания.Но как стабилитрон реагирует на сигнал изменения , если входной сигнал не является установившимся постоянным током, а представляет собой сигнал переменного-переменного тока.

Схема ограничения и ограничения диодов используется для формирования или изменения формы входного сигнала переменного тока (или любой синусоидальной волны) и создания выходных сигналов различной формы в соответствии с расположением схемы. Цепи диодного ограничителя также называют ограничителями, потому что они ограничивают положительную (или отрицательную) часть входного сигнала переменного тока. Так как схемы фиксации стабилитрона ограничивают или отсекают часть формы сигнала, они в основном используются для защиты схем или схем формирования сигналов.

Например, если мы хотим ограничить выходной сигнал до +7,5 В, мы будем использовать стабилитрон на 7,5 В. Если форма выходного сигнала пытается превысить предел 7,5 В, стабилитрон «отсекает» перенапряжение на входе, создавая форму волны с плоской вершиной и сохраняя постоянный выход на уровне + 7,5 В. Обратите внимание, что в условиях прямого смещения стабилитрон остается диодом. Когда выходной сигнал переменного тока ниже -0,7 В, стабилитрон будет «проводить», как любой нормальный кремниевый диод, и ограничивать выход до -0.7V, как показано ниже.

Рис. 4. Фиксирующая схема стабилитрона

Стабилитроны, соединенные встречно-спиной, можно использовать в качестве того, что вырабатывает регулятор напряжения переменного тока, так называемый «генератор прямоугольных сигналов Пура». С помощью этой конфигурации мы можем вырезать форму волны между положительным значением + 8,2 В и отрицательным значением -8,2 В для стабилитрона 7,5 В

Так, например, если мы хотим обрезать форму выходного сигнала между двумя разными минимумами и максимальные значения, такие как + 8V и -6V, нам нужно использовать только два стабилитрона с разными номиналами.Обратите внимание, что выходной сигнал ограничивает форму волны переменного тока в диапазоне от + 8,7 В до -6,7 В из-за увеличения смещенного напряжения на диоде.

Другими словами, размах напряжения составляет 15,4 В вместо ожидаемых 14 В, потому что падение напряжения прямого смещения на диоде увеличивается на 0,7 В в каждом направлении.

Этот тип конфигурации ограничителя довольно распространен для защиты электронных схем от перенапряжений. Два стабилитрона обычно размещаются на клеммах ввода питания.Во время нормальной работы один из стабилитронов выключен, и диод мало влияет. Однако, если форма волны входного напряжения превышает его предел, стабилитрон включается и фиксирует вход для защиты схемы.

VI Применение стабилитронов

1. Типичная схема последовательного регулятора

Рисунок 5. Типичная схема последовательного регулятора

В этой схеме база транзистора T стабилизирована на уровне 13 В. стабилитроном D, то его эмиттер будет выдавать постоянное напряжение 13-0.7 = 12,3 В. В пределах определенного диапазона, независимо от того, увеличивается или уменьшается входное напряжение, независимо от того, изменяется сопротивление нагрузки, а выходное напряжение остается неизменным. Эта схема используется во многих ситуациях. 7805 — это последовательная схема встроенного регулятора напряжения, которая может выдавать 5 В. 7805-7824 может выводить напряжение 5-24 В. Он применяется на многих устройствах.

Рисунок 6. Схема встроенного регулятора напряжения серии 7805

2. Схема защиты от перенапряжения в телевизоре

Рисунок 7.Схема защиты от перенапряжения в телевизоре

115В — основное напряжение питания телевизора. Когда выходное напряжение источника питания слишком высокое, включается D и включается транзистор T. Его коллекторный потенциал изменится с исходного высокого уровня (5 В) на низкий уровень. Подача напряжения через линию управления режимом ожидания переводит телевизор в режим защиты в режиме ожидания.

3. Схема гашения дуги

Рисунок 7. Схема гашения дуги

Когда соответствующий стабилитрон подключен параллельно катушке индуктивности (принцип также может быть подключен к обычному диоду) , и катушка отключена во включенном состоянии, высокое напряжение, генерируемое высвобождением ее электромагнитной энергии, принимается диодом.Таким образом, когда переключатель выключен, дуга переключателя устраняется. Эта прикладная схема чаще используется в промышленности, например, в некоторых более мощных схемах электромагнитного управления.

Рекомендуемый артикул:

Введение в типы диодов

Что такое лазерные диоды?

Описание стабилитрона — StudiousGuy

Стабилитрон — это особый тип диодов с P-N переходом.Это кремниевый полупроводниковый прибор, в котором как P-, так и N-переходы сильно легированы, из-за чего образуется очень тонкий обедненный слой, который приводит к сильному электрическому полю через переход. Он может работать как в прямом, так и в обратном смещении, то есть он может позволить току течь как в прямом, так и в обратном направлении, если через переход проходит достаточное напряжение, но в основном он предназначен для работы в обратном направлении. Стабилитрон решает огромное количество проблем, которые могут возникнуть при проектировании схем.Следовательно, это широко используемый компонент в электрических цепях. Он сконструирован таким образом, что может без сбоев выдерживать пробой, вызванный обратным напряжением пробоя, поэтому он также известен как пробойный диод.

Указатель статей (Нажмите, чтобы перейти)

Кларенс Мелвин Зенер (1905-1993)

Стабилитрон

назван в честь американского физика Кларенса Мелвина Зенера, который разработал электрические свойства стабилитрона.Он был профессором физики в Университете Карнеги-Меллона, и его основной областью интересов была «физика твердого тела». Он получил диплом и докторскую степень в Стэнфордском университете, Калифорния. В 1934 году он опубликовал статью, в которой объяснил неисправность электрических изоляторов, а в 1950 году он разработал стабилитрон и начал его применение в компьютерных схемах.

Конструкция стабилитрона

Стабилитроны

изготавливаются различными методами. Наиболее широко используемые методы производства включают диффузную структуру сплава, пассивированную структуру и диффузную структуру.В диффузной структуре как P-, так и N-подложки диффундируют вместе, и металлический слой осаждается с обеих сторон, которые соединяют анодные и катодные выводы. В диффузионной структуре из сплава все переходы покрыты слоем оксида кремния (SiO2), но в пассивированной структуре только края переходов покрыты слоем оксида кремния. Напряжение пробоя стабилитрона диода фиксировано на момент его изготовления и обычно составляет от 2,4 до 200 В. Функционирование стабилитрона зависит от уровня его легирования.Слаболегированные диоды показывают лавинный пробой, в то время как сильно легированные диоды показывают пробой Зенера. Диффузионные стабилитроны из сплава лучше работают при низких напряжениях стабилитрона, в то время как диффузные и пассивированные структуры лучше работают при высоких напряжениях стабилитрона.

Обозначение цепи стабилитрона

Обозначение схемы стабилитрона почти аналогично обычным символам схемы диода с небольшой разницей в том, что вертикальная линия символа стабилитрона слегка изогнута внутрь и наружу от верхнего и нижнего конца соответственно.

Символ стабилитрона

Схема

стабилитрона

Стабилитрон

может быть подключен как в прямом, так и в обратном смещении, но он работает как обычный диод в состоянии прямого смещения и в основном предназначен для работы в состоянии обратного смещения. В состоянии обратного смещения, P-тип, то есть положительная сторона диода, подключается к отрицательной клемме батареи, в то время как N-тип, то есть отрицательная сторона диода, подключается к положительной клемме. батареи.

Общие сведения о стабилитроне

Стабилитрон — это сильно легированный диод с P-N переходом; из-за сильного легирования область обеднения между P-N-переходом становится узкой, а напряженность электрического поля увеличивается. Следовательно, увеличивается и проводимость стабилитрона. Нет никакого протекания тока через диод, если к стабилитрону не приложено смещение, так как не будет потока электронов из валентной зоны области P-типа в зону проводимости области N-типа.Если к стабилитрону приложено обратное смещение и подаваемое напряжение превышает напряжение стабилитрона, то электрическое поле на переходе увеличивается, и валентные электроны набирают достаточно энергии и начинают перемещаться из валентной зоны области P-типа в область зона проводимости области N-типа, и барьер между областями P и N уменьшается. При напряжении стабилитрона область обеднения полностью исчезает, и стабилитрон начинает проводить.

Работа стабилитрона

В условиях прямого смещения стабилитрон работает как обычный диод, но когда он работает в режиме обратного смещения, обедненный слой между переходом сужается, и он продолжает сужаться, если мы увеличиваем напряжение с обратным смещением. .Первоначально ток, протекающий по цепи, обусловлен неосновными носителями заряда, но после определенного значения обратного напряжения происходит пробой. Стабилитрон имеет два типа пробоя: лавинный пробой и пробой стабилитрона, которые обсуждаются ниже.

Лавина

Лавинный пробой обычно возникает, если мы прикладываем очень высокое напряжение обратного смещения. В состоянии обратного смещения ток течет через цепь из-за неосновных носителей заряда. Если мы подаем высокое обратное напряжение, то эти неосновные носители заряда ускоряются и приобретают высокую скорость, следовательно, их движение увеличивается.Из-за своего быстрого движения они сталкиваются с окружающими их атомами и генерируют больше свободных электронов, и эти свободные электроны также вызывают столкновения, которые приводят к генерации еще большего количества свободных электронов, следовательно, через цепь протекает большой ток из-за увеличения количество носителей заряда. Это явление известно как лавинный прорыв. Обычные диоды обычно разрушаются из-за этого пробоя из-за выделения тепла из-за большого тока и высокого падения напряжения, но стабилитрон сконструирован таким образом, что он не повреждается из-за лавинного пробоя и может выдерживают большой ток.Лавинный пробой обычно наблюдается в тех стабилитронах, у которых напряжение на стабилитронах превышает 5 вольт.

Механизм лавинного разрушения

Стабилитрон

Явление пробоя стабилитрона обычно наблюдается в сильно легированных диодах. Из-за высокой концентрации легирования обедненный слой имеет очень узкую ширину. Если мы увеличим обратный потенциал, это приведет к генерации сильного электрического поля в области обеднения. Из-за этого высокого электрического поля электроны (электроны области истощения) получают высокую энергию и отделяются от своих родительских атомов, и в результате этого действия генерируется большое количество свободных электронов.Движение этих свободных электронов вызывает прохождение электрического тока через диод. Таким образом, наблюдается немедленное увеличение электрического тока при увеличении обратного напряжения на небольшую величину. Ток увеличивается до максимального значения, а затем стабилизируется и остается постоянным при различных значениях приложенного напряжения. Когда электрический ток превышает емкость диода, происходит пробой, и этот пробой известен как пробой Зенера, а напряжение, при котором он возникает, известно как напряжение Зенера.Пробой Зенера можно управлять, потому что количество генерируемых валентных электронов можно контролировать, управляя электрическим полем в области обеднения. Обычно используемые стабилитроны показывают пробой стабилитрона ниже 5 вольт, и они имеют отрицательный температурный коэффициент, то есть, если температура перехода увеличивается, напряжение пробоя стабилитрона уменьшается.

Различия в лавинном пробое и пробое стабилитрона

  • Лавинный пробой происходит из-за столкновений электронов в обедненной области, а пробой Зенера происходит из-за сильного электрического поля.
  • Лавинный пробой происходит в слабо легированных диодах с P-N переходом, но стабилитрон возникает в сильно легированных диодах с P-N переходом.
  • Диод не может вернуться в исходное положение после лавинного пробоя, но может вернуться в исходное положение после пробоя стабилитрона.
  • В случае пробоя стабилитрона электрическое поле в обедненной области больше, чем при лавинном пробое.
  • В случае лавинного пробоя образуются как пары дырок, так и электроны, но пробой Зенера вызывается только потоком электронов из-за сильного электрического поля.
  • Лавинный пробой происходит из-за высокого обратного напряжения, тогда как пробой Зенера происходит из-за низкого обратного напряжения.
  • Лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, т. Е. Он увеличивается с повышением температуры, а пробой Зенера имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. уменьшается с повышением температуры.
  • Зенеровский пробой показывает резкую кривую в их характеристиках V-I по сравнению с лавинным пробоем.

Характеристики V-I стабилитрона

Вольт-амперная характеристика или вольт-амперная характеристика — это график, который представляет изменение тока по отношению к изменению напряжения, приложенного к переходу. Вольт-амперные характеристики стабилитрона делятся на две категории: прямые и обратные характеристики. Обсудим их подробнее.

Форвардные характеристики

Характеристики стабилитрона с прямым смещением представлены в первом квадранте графика, показанного выше.Из графика ясно видно, что характеристики прямого смещения стабилитрона такие же, как у нормального диода с фазовым переходом, то есть, если мы увеличиваем напряжение вокруг вывода, то ток, протекающий через цепь, также увеличивается. Однако величина тока, протекающего через стабилитрон, выше по сравнению с обычным P-N диодом из-за более высокой концентрации легирования в стабилитроне.

Обратные характеристики

Когда стабилитрон работает в состоянии обратного смещения, тогда сначала через цепь протекает лишь небольшая величина тока утечки из-за неосновных носителей заряда, которые генерируются термически, но когда приложенное обратное напряжение увеличивается до определенного значения. значение обратного напряжения, то происходит пробой, и наблюдается резкое увеличение обратного тока.Значение обратного напряжения, в котором произошел пробой, известно как напряжение Зенера (Vz), и этот эффект пробоя известен как эффект Зенера. Используя внешнее сопротивление, можно ограничить ток, проходящий через стабилитрон. Напряжение (В) через диод можно рассчитать математически, используя следующее выражение:

В = Vz + ИзРз

Где Vz — напряжение пробоя по Зенеру, Iz — это ток, протекающий через стабилитрон, а Rz — сопротивление стабилитрона.

Технические характеристики стабилитрона

При производстве стабилитрона тщательно учитываются различные типы спецификаций. Каждая спецификация влияет на общее функционирование стабилитрона. Соблюдая эти спецификации, мы можем понять рабочие характеристики любого конкретного стабилитрона. Вот некоторые характеристики стабилитрона.

1. Напряжение стабилитрона (Vz)

Напряжение стабилитрона — это напряжение на стабилитроне, при котором происходит пробой, поэтому оно также известно как напряжение обратного пробоя.При изготовлении стабилитронов их напряжение пробоя обычно поддерживается в диапазоне от 2,4 В до 200 В. Однако для устройств поверхностного монтажа максимальное напряжение стабилитрона составляет около 47 вольт.

2. Максимальный ток (Iz-max)

Iz-max — это максимальный ток, который может протекать через стабилитрон при обратном напряжении пробоя. Он колеблется от 200 мкА до 200 А. Из-макс можно рассчитать по формуле

Iz = Pz / Vz

Где Pz — максимальная мощность, которую может выдержать диод, а Vz — обратное напряжение пробоя.

3. Минимальный ток (Из-мин)

Iz-min — это минимальная величина тока, необходимая для пробоя стабилитрона. Он колеблется от 5 мА до 10 мА.

4. Номинальная мощность (Pz)

Номинальная мощность — это максимальная мощность, которую стабилитрон может безопасно рассеивать. Обычно используемые значения мощности стабилитрона включают 400 мВт, 500 мВт, 1 мВт, 3 мВт и 5 мВт. Стабилитроны с высокой номинальной мощностью обычно дороги и требуют дополнительных устройств для отвода избыточного тепла.Максимальную рассеиваемую мощность (Pzm) стабилитроном можно рассчитать по приведенной формуле:

Pzm = Iz * Vz

Где Iz — это максимальный ток, который может протекать через стабилитрон, а Vz — это напряжение пробоя стабилитрона.

5. Сопротивление стабилитрона

Сопротивление стабилитрона или импеданс стабилитрона — это полное сопротивление стабилитрона протеканию электрического тока. Сопротивление стабилитрона также очевидно из графика обратной характеристики VI, поскольку оно не полностью вертикально, следовательно, есть небольшое изменение тока, протекающего при небольшом изменении напряжения на стабилитроне, и это изменение напряжения по отношению к диоду Зенера. ток — это сопротивление стабилитрона.В идеале он должен быть равен нулю, но каждый стабилитрон имеет некоторое сопротивление стабилитрона.

Импеданс стабилитрона стабилитрона рассчитывается по формуле,

R = Vi-Vz / Из

Где Vi — входное напряжение, Iz — ток, проходящий через стабилитрон, а Vz — напряжение пробоя стабилитрона.

6. Допуск стабилитрона

Допуск стабилитрона определяется как диапазон напряжений, близкий к напряжению пробоя, при котором стабилитрон проводит ток в обратном направлении.При изготовлении стабилитрона могут возникать небольшие различия в концентрациях легирования для одного и того же типа стабилитрона, что означает, что их напряжения пробоя также незначительно различаются, следовательно, один и тот же тип стабилитрона проводит обратный ток при разных значениях напряжения обратного пробоя, и этот диапазон напряжения пробоя стабилитронов называется их допуском. Обычно допуск по напряжению для стабилитрона составляет ± 5%.

7. Температурная стабильность

Напряжение обратного пробоя стабилитронов меняется в зависимости от различных температурных условий, и оно показывает большую разницу в своем значении для разных степеней температуры в диапазоне от 0 ° C до 50 ° C.Таким образом, температурная стабильность — важный критерий, на который нужно обращать внимание при использовании стабилитронов в различных электрических цепях. Как мы читали выше, лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, и он преобладает при напряжении выше 5 вольт, в то время как пробой на стабилитроне имеет отрицательный температурный коэффициент, и он преобладает при напряжении ниже 5 вольт. Имея это в виду, стабилитроны с напряжением пробоя 5 В обычно производятся, так как они обеспечивают лучшую температурную стабильность.

8.Температура перехода

Когда обратный электрический ток проходит через переход стабилитрона, там выделяется тепло, поэтому область перехода сравнительно горячее, чем внешний корпус стабилитрона, потому что тепло оттуда рассеивается. При изготовлении стабилитрона следует тщательно учитывать надлежащие характеристики внутренней и внешней температуры диода. Обычно температура перехода стабилитрона поддерживается в пределах от 175 ° C до 200 ° C.

9.Пакет

Стабилитрон

может быть упакован по-разному. Однако широко используемые методы упаковки включают традиционные устройства с выводами и упаковку для поверхностного монтажа (в технологии поверхностного монтажа (SMT) различные электрические компоненты устройства устанавливаются непосредственно на поверхности печатных плат (PCB)). Упаковка выбирается в соответствии с требованиями к уровню рассеивания тепла в устройстве.

Применение стабилитрона

Регулятор напряжения

Одним из наиболее важных применений стабилитрона является то, что он используется в качестве регулятора напряжения.Функция регулятора напряжения заключается в поддержании постоянного выходного напряжения для широкого диапазона входных напряжений и токов. Для использования стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения шунтирующее сопротивление (Rs) последовательно подключается к входному напряжению и стабилитрону. Далее сопротивление нагрузки подключается параллельно стабилитрону в режиме обратного смещения. Шунтирующее сопротивление Rs отсекает избыточное количество тока и позволяет только ограниченному току проходить через стабилитрон и, следовательно, контролирует колебания напряжения и поддерживает постоянное выходное напряжение на сопротивлении нагрузки {R} _ {L}.

Защита от перенапряжения

Иногда ток в электрических устройствах превышает нормальное значение, что может привести к повреждению устройства, но это повреждение можно минимизировать, используя стабилитрон в электрической цепи, поскольку он защищает цепь, регулируя входное напряжение, и позволяет поддерживать постоянное напряжение на выходной терминал. Стабилитроны, наряду с кремниевым управляющим выпрямителем (SCR), используются в различных схемах, поскольку они контролируют высокую мощность и высокое напряжение в электронных схемах.

Электрические переключатели

Стабилитрон

может производить резкие изменения от минимального тока до максимального, поэтому его можно использовать в качестве переключателя.

Защита мультиметра

Еще одним важным применением стабилитрона является то, что он используется для защиты мультиметра. Стабилитрон подключен параллельно мультиметру, он регулирует напряжения и защищает мультиметр от повреждения из-за чрезмерного протекания тока в электрической цепи.Стабилитрон легко выдерживает высокие пробивные напряжения, поскольку в них высокая концентрация легирования.

Формирователь волны или ограничитель формы волны

Стабилитрон

также используется в качестве формирователя волны, поскольку он может изменять форму волны переменного тока и может преобразовывать синусоидальную волну в прямоугольную. Для этого два стабилитрона, обращенных друг к другу, последовательно соединены с сопротивлением R. Стабилитрон обеспечивает высокое сопротивление, если входное напряжение на клеммах меньше напряжения пробоя стабилитрона в течение положительного и отрицательного полупериода входной синусоидальной волны, и напряжение на стабилитроне (Vz) появится на выходе (Vo).Стабилитрон предлагает низкое сопротивление, если входное напряжение больше, чем напряжение пробоя стабилитрона, что позволяет большому току проходить через стабилитрон, и мы видим большое падение напряжения на сопротивлении R, и стабилитрон ограничивает избыточное напряжение. , следовательно, входной синусоидальный сигнал обрезается. Таким образом, мы можем получить прямоугольный сигнал на выходе. Таким образом, стабилитрон используется как ограничитель волн, и эти схемы в основном используются для устранения помех в телевизионных и FM-передатчиках.

Переключатель напряжения

Стабилитрон

может действовать как переключатель напряжения. Если мы используем стабилитрон и сопротивление R в цепи, входное напряжение может быть сдвинуто до напряжения пробоя стабилитрона.

Преимущества стабилитрона

  • Стабилитрон экономичен.
  • Поддерживает и регулирует входное напряжение.
  • Он имеет простую схему и очень совместим.
  • Широко применяется в электрических цепях для защиты устройств от перенапряжений.
  • Обеспечивает постоянное напряжение на выходной клемме.
  • Имеет возможность контролировать превышение протекания тока в цепи.
  • Используется как ограничитель формы сигнала.

Стабилитрон Недостатки

  • Чтобы нейтрализовать избыточное входное напряжение, стабилитрон применяет еще большее обратное напряжение, которое потребляет много электроэнергии в этом процессе.
  • Стабилитрон не подходит, если ток нагрузки очень высок, поскольку их эффективность снижается при высоких токах нагрузки.
  • Из-за сопротивления стабилитрона выходное напряжение немного изменяется.
  • Показывает высокий внутренний импеданс в цепи.
  • Транзисторы более предпочтительны, чем стабилитроны для регулирования напряжения, поскольку они имеют лучший коэффициент регулирования.
  • Поскольку напряжение стабилитрона равно выходному напряжению (Vo = Vz), мы не можем регулировать выходное напряжение.

Конструкция, электрическая схема, работа и применение

Диод — один из основных компонентов электронных схем.Если вы хотите узнать о напряжениях, вы должны знать о диодах. Диод в основном состоит из полупроводников, которые имеют две характеристики: тип «P» и тип «N». Полупроводники типа «P» и «N» представляют собой полупроводники положительного и отрицательного типа. Полупроводник типа «P» будет иметь избыточное количество дырок в конфигурации, а полупроводник типа «N» будет иметь избыточное количество электронов. Если в монокристалле присутствуют оба типа характеристик, его можно назвать диодом.Положительная клемма батареи соединяется со стороной «P», а отрицательная сторона — со стороной «N». Давайте обсудим работу стабилитрона. Это не что иное, как простой диод, подключенный в обратном направлении.


Что такое стабилитрон?

В основном это особые свойства диода, а не какого-либо специального оборудования. Человек по имени Клиренс Зинер изобрел это свойство диода, поэтому он назван в его честь в память о нем. Особенность диода заключается в том, что при приложении напряжения к цепи с обратным смещением произойдет пробой в цепи.

Стабилитрон

Не пропускает ток через него. Когда напряжение на диоде увеличивается, температура также увеличивается, и ионы кристалла колеблются с большей амплитудой, и все это приводит к пробою обедненного слоя. Слой на стыке типа «П» и типа «N». Когда приложенное напряжение превышает определенную величину, происходит пробой Зенера.

Это не что иное, как один диод, подключенный в режиме обратного смещения, а стабилитрон может быть подключен в режиме обратного смещения положительным в цепи, как показано на рисунке.Мы можем подключить его для разных приложений.

Условное обозначение цепи стабилитрона показано на рисунке. Для удобства используется нормально. Обсуждая диодные схемы, следует обратить внимание на графическое представление работы стабилитрона. Это называется ВАХ обычного диода с p — n переходом.

Подключение диода
Стабилитрон

Есть много способов упаковки этого диода, который в основном используется для больших диапазонов рассеяния мощности, а другие включают форматы для поверхностного монтажа.Обычный тип стабилитрона заключен в стеклянную капсулу. На одном конце этого стекла есть полоса вокруг и маркировка на катодной стороне диода.

Из приведенной выше диаграммы мы можем заметить, что полоса вокруг упаковки соответствует строке на символе, так что концы диодов можно легко запомнить. Обозначение схемы стабилитрона включает две метки на конце полосы, одна из которых направлена ​​вверх, а другая — вниз. Так что это помогает отличить эти диоды от других типов диодов в схеме.

Строительство

Конструкция стабилитрона показана ниже. Это диффузная структура, потому что оба субстрата, такие как P и N, диффундируют вместе. Область соединения может быть покрыта слоем SiO2 (диоксида кремния).
Одновременно всю конструкцию можно металлизировать всю конструкцию для создания анодных и катодных соединений. Таким образом, слой SiO2 в основном помогает остановить заражение переходов. Поэтому он используется при создании стабилитрона.

Работа диода в основном зависит от диапазона допирования в PN-переходе. Для небольшого напряжения обратного смещения область обеднения чрезвычайно тонкая, а электрическое поле чрезвычайно велико. Это позволяет электронам перемещаться из валентной зоны в зону проводимости.

Напряжение пробоя стабилитронов можно точно контролировать во время уровня легирования. Напряжение пробоя стабилитронов может составлять от 1,2 В до 200 В. Диоды с легким легированием и напряжение пробоя ниже 5.6 В, пробой обусловлен действием лавины, а не эффектом Зинера.


Типы стабилитронов

Категоризация стабилитрона может быть сделана на основе нескольких параметров, таких как следующий

  • Номинальное напряжение
  • Максимальный обратный ток
  • Рассеиваемая мощность
  • Тип упаковки
  • Ток прямого привода
  • Прямое напряжение

Как работает стабилитрон?

Работа стабилитрона в основном зависит от таких режимов смещения, как прямое и обратное.Как только этот диод подключен с прямым смещением, он работает как обычный диод, тогда как он подключен с обратным смещением, тогда в диоде будет небольшая утечка тока.

Когда обратное напряжение превышает фиксированное напряжение пробоя (Vz), через диод протекает ток. Таким образом, ток увеличивается до максимального уровня, который подтверждается последовательным резистором, когда он стабилизируется и остается стабильным в широком диапазоне приложенного напряжения. Для стабилитрона существует два вида пробоев, таких как лавинный пробой и пробой стабилитрона.

Лавина

Этот вид пробоя в основном возникает как в нормальных диодах, так и в стабилитронах при максимальном обратном напряжении. Как только на PN-переход подается максимальное обратное напряжение, электроны получают достаточную энергию для ускорения с высокими скоростями.

Эти электроны начнут двигаться с большой скоростью, чтобы разбить другие атомы и оторвать еще больше электронов. Из-за этого непрекращающегося сбоя будет генерироваться некоторое количество свободных электронов, и ток внутри диода быстро возрастет.

Таким образом, это неожиданное увеличение электрического тока может навсегда разрушить нормальный диод, но конструкция этого диода может быть выполнена таким образом, чтобы он работал при лавинном пробое и мог поддерживать неожиданный всплеск тока. Этот вид пробоя в основном происходит в стабилитронах из-за напряжения стабилитрона (Vz) выше 6 В.

Стабилитрон

Когда приложенное напряжение приближается к напряжению Зенера, электрическое поле в области обеднения становится сильным, чтобы увлечь электроны из их валентной зоны.Таким образом, электроны в валентном состоянии получат достаточную энергию от электрического поля области обеднения и покинут основной атом. В области пробоя стабилитрона при увеличении напряжения возрастает и электрический ток.

Диод может быть упакован разными способами. Некоторые из них используются для высоких уровней рассеивания мощности, а другие предназначены для поверхностного монтажа. Наиболее распространенный тип стабилитронов заключен в небольшую стеклянную капсулу. У него есть полоса вокруг одного конца, обозначающая катодную сторону диода.

Технические характеристики

Спецификации стабилитрона включают следующее.

Напряжение (Vz)

Напряжение стабилитрона — это напряжение обратного пробоя, которое находится в диапазоне от 2,4 В до 200 В и может повышаться до 1 кВ, тогда как максимальное значение для SMD (устройство для поверхностного монтажа) составляет около 47 В.

Максимальный ток Iz (макс.)

Максимальный ток, требуемый при номинальном напряжении стабилитрона, составляет Vz в диапазоне от 200 мкА до 200 А.

Минимальный ток Iz (мин)

Требуемый минимальный ток пробоя этого диода в диапазоне от 5 мА до 10 мА.

Номинальная мощность

Наибольшая мощность, рассеиваемая этим диодом, определяется как произведение напряжения на диоде и протекания через него тока. Типичные значения в основном включают 400 мВт, 500 мВт, 1 Вт и 5 Вт. Аналогично, для SMD значения составляют 200 мВт, 350 мВт, 500 мВт и 1 Вт.

Допуск напряжения

Допуск напряжения этого диода составляет ± 5%.

Температурная стабильность

Наилучшая стабильность диода примерно 5 В

Упаковка

Устройства с выводами, а также поверхность, монтируются либо как дискретные устройства, либо в интегральных схемах.

Стабилитрон (Rz)

Диод показывает некоторое сопротивление, что видно из характеристик VI.

Характеристики стабилитрона

На приведенной выше диаграмме показаны вольт-амперные характеристики стабилитрона.Когда диод подключен в прямом направлении, диод смещения действует как обычный диод. Когда напряжение обратного смещения больше заданного напряжения, возникает напряжение пробоя стабилитрона. Для получения напряжения пробоя контролируется резкое и отчетливое легирование и устраняются дефекты поверхности. В приведенных выше характеристиках V-I Vz — это напряжение стабилитрона. А также напряжение на коленях, потому что в этот момент ток очень быстрый.

Характеристики

Применение стабилитрона

Стабилитрон

широко используется в качестве шунтирующего регулятора или регулятора напряжения.Изучив первую часть статьи, мы знаем, что такое стабилитрон и каков основной принцип работы. Здесь возникает вопрос, где могут быть полезны диоды этого типа. Основное применение этого типа диодов — стабилизатор напряжения, устройство защиты от перенапряжения и источник опорного напряжения.

Проверка диода

Мы обсудили применение стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения , а теперь обсудим два других момента.

Устройство защиты от перенапряжения

Защита от перенапряжения выполняется с помощью стабилитронов, поскольку через диод проходит ток после того, как напряжение обратного смещения превышает определенное значение.Эта схема обеспечивает безопасность оборудования, подключенного к клеммам. Обычно ток не должен превышать нормального клапана, но если из-за какой-либо неисправности в цепи ток превышает максимально допустимое напряжение, то оборудование системы может быть повреждено.

Используется тиристор, с помощью которого быстро снижается выходное напряжение и перегорает предохранитель, отключающий питание входного источника. Схема схемы показана ниже для лучшего понимания,

Схема на стабилитроне

Опорное напряжение определяет постоянную подачу силового тока или напряжения при работе стабилитрона.Если подача тока такая же, то, чтобы избежать нестабильной работы, мы используем стабилитроны. Они используются там, где требуется опорное напряжение, например амперметры, омметры и вольтметры.

Стабилитрон как регулятор напряжения

Термин «регулятор» означает «регулирующий». Этот диод может работать как регулятор напряжения, если он включен в цепь. Выходной сигнал на диоде будет постоянным. Он приводится в действие источником тока. Как мы знаем, если напряжение на диоде превышает определенное значение, он потребляет чрезмерный ток от источника питания.Принципиальная схема стабилитрона как стабилизатора напряжения приведена ниже,

.

Чтобы зафиксировать ток через этот диод, вводится последовательное сопротивление «R», значение которого может быть выбрано из следующего уравнения

Номинальное сопротивление резистора (Ом) = (V1 — V2) / (ток стабилитрона + ток нагрузки)

На приведенной выше схеме показаны шунтирующие регуляторы, поскольку регулирующий элемент параллелен нагрузочному элементу. Этот диод создает стабильное опорное напряжение на нагрузке, которое удовлетворяет требованиям регулятора.

Этот диод позволяет току течь в прямом направлении так же, как идеальный диод. Он также позволяет течь в обратном направлении, когда напряжение выше определенного значения, известного как напряжение пробоя.

Это устройство названо в честь Зенера, и оно обнаружило это электрическое свойство. Стабилитрон — это диод, в котором обратный пробой происходит из-за квантового туннелирования электронов под действием высокого электрического поля, называемого эффектом Зенера. Многие диоды, описываемые как стабилитроны, вместо этого полагаются на лавинный пробой.Оба типа используются с преобладанием эффекта Зенера до напряжения 5,6 В и лавинного пробоя выше. Обычные приложения включают обеспечение опорного напряжения для регуляторов напряжения. Это необходимо для защиты устройств от кратковременных импульсов напряжения.

Схема подключения

Эти устройства также встречаются последовательно с переходом база-эмиттер. На транзисторных каскадах, когда выбор устройства сосредоточен вокруг лавины или точки Зенера. Его можно использовать для введения компенсирующего температурного коэффициента балансировки транзистора.Усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе обратной связи цепи регулируемого источника питания, является одним из примеров.

Они также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения систем с импульсными скачками напряжения, а еще одним применением диода является использование шума, вызванного его лавинным пробоем в генераторе случайных чисел. Не могли бы вы рассказать мне, как еще можно использовать стабилитрон? Комментируя.

Разница между PN переходным диодом и стабилитроном

Разница между PN-переходным диодом и стабилитроном заключается в следующем.

PN Соединительный диод Стабилитрон
Диод с PN-переходом — это полупроводниковый диод, который проводит только в одном направлении, а именно в прямом направлении. Диод, который позволяет току течь как в прямом, так и в обратном направлении, такой тип диода известен как стабилитрон.
Переход может быть поврежден обратным током Не повреждает стык
Низкий уровень легирования диода pn-перехода Высокий уровень легирования этого диода
В этом переходе пробой в основном происходит при более высоком напряжении. В этом диоде пробой происходит в основном при более низком напряжении.
PN-переход подчиняется закону Ома Этот диод не подчиняется закону Ома.
Применение диода с PN-переходом в основном для выпрямления Этот диод используется в стабилизаторе напряжения, формировании волны и защите двигателя

Преимущества

К преимуществам стабилитрона e можно отнести следующее.

  • По сравнению с обычными диодами стабилитрон дороже
  • Используется в схемах меньшего размера
  • Возможность переключения напряжения
  • Контроль тока перенапряжения
  • Простая совместимость и доступность для разных систем
  • Напряжение цепи может быть изменено и стабилизировано
  • Обеспечивает высокую производительность
  • Защищает от перенапряжения

Недостатки

К недостаткам стабилитрона можно отнести следующее.

  • Для большого тока нагрузки этот диод не подходит
  • DC o / p напряжение может немного измениться из-за сопротивления стабилитрона.
  • Невозможно отрегулировать выходное напряжение
  • Изменения в токе нагрузки вызывают изменения в токе Зенера.
  • Меньше регулирования напряжения
  • Высокое внутреннее сопротивление цепи.

Итак, это все об обзоре стабилитрона и его работы. Эти диоды используются в промышленных и коммерческих приложениях.Некоторые из них похожи на стабилизатор или регулятор напряжения, устройство защиты измерителя и формирователь волн. Эти диоды в основном предназначены для работы в условиях обратного смещения, при которых они начинают пропускать значительный ток. Он работает как регулятор напряжения, потребляя слабый ток, если напряжение очень низкое; в противном случае, если напряжение слишком высокое, он потребляет больше тока. Вот вам вопрос, какие типы диодов доступны на рынке?

Фото:

Каков принцип стабилитрона?

Введение

В этом видеоуроке по электронике представлено базовое введение в стабилитрон , который используется в качестве стабилизаторов напряжения в цепях постоянного тока.

Каталог


1.1 Терминология

Стабилитрон является активным устройством. В нем используется состояние обратного пробоя pn-перехода, чтобы обеспечить возможность изменения тока в широком диапазоне и постоянного напряжения, то есть диод имеет эффект регулирования напряжения. Этот диод представляет собой полупроводниковое устройство, которое имеет очень высокое сопротивление до тех пор, пока не будет достигнуто критическое обратное напряжение пробоя. В этой критической точке пробоя обратное сопротивление снижается до небольшого значения, в этой области низкого сопротивления ток увеличивается, а напряжение остается постоянным.Так что стабилитрон используется в первую очередь как регулятор напряжения или компонент опорного напряжения.

Когда обратное напряжение стабилитрона достигает определенного значения, обратный ток внезапно увеличивается, и стабилитрон входит в область пробоя, но он не повреждает, а работает в нормальном состоянии, которое является самым большим. отличие от обычного диода.

После перехода в это рабочее состояние, даже если обратный ток изменяется в широком диапазоне, обратное напряжение на стабилитроне может оставаться практически неизменным.С другой стороны, если обратный ток продолжает увеличиваться до определенного значения, стабилитрон полностью выйдет из строя и повредится.

Следовательно, когда используется стабилитрон, он должен быть включен последовательно с токоограничивающим резистором . В противном случае его потребляемая мощность превышает указанное значение, что может привести к повреждению устройства.

1.2 Расчет сопротивления стабилизации напряжения

Характеристики схемы стабилитрона связаны с динамическим сопротивлением в состоянии пробоя, а также со значением сопротивления резистора регулятора напряжения R.Чем меньше динамическое сопротивление стабилитрона, тем больше регулятор напряжения R и тем лучше характеристики регулирования напряжения.

Динамическое сопротивление стабилитрона зависит от рабочего тока. Чем больше рабочий ток, тем меньше динамическое сопротивление. Следовательно, чтобы обеспечить хороший эффект регулирования напряжения, рабочий ток должен быть выбран правильно. Рабочий ток больше, чем можно эффективно уменьшить динамическое сопротивление, но не превышает максимально допустимый ток (или максимальную рассеиваемую мощность) диода.А рабочий ток и максимально допустимый ток для различных типов диодов можно найти в инструкции.

Стабильность стабилитрона также зависит от температуры. При изменении температуры изменяется и его стабильное напряжение, которое обычно выражается температурным коэффициентом стабильного напряжения.

а. Когда входное напряжение наименьшее, а ток нагрузки максимален, ток, протекающий через стабилитрон, минимален.При этом IZ не должно быть меньше IZmin, тем самым рассчитывая максимальное значение резистора стабилизации напряжения, а фактически выбранное сопротивление стабилизации напряжения должно быть меньше максимального значения, которое составляет

.

г. Когда входное напряжение является наибольшим, а ток нагрузки наименьшим, ток, протекающий через стабилитрон, является наибольшим. В это время IZ не должно превышать IZmax , тем самым вычисляя минимальное значение сопротивления стабилизации напряжения.что

(R мин макс )

1,3 Символ стабилитрона

1,4 Вольт-амперная характеристика

Рисунок 1. Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперные характеристики стабилитрона аналогичны характеристикам обычного диода, за исключением того, что

(1) крутая обратная кривая пробоя

(2) работает при обратном пробое

Обычно используемые значения регулирования напряжения: 3.3 В, 3,6 В, 3,9 В, 4,7 В, 5,1 В, 5,6 В, 6,2 В, 15 В, 27 В, 30 В, 75 В

1.5 Типовая схема регулирования напряжения

Рисунок 2. Типовая схема регулирования

1.6 Влияние положительной и отрицательной последовательностей

1. В схеме усилителя мощности затвор G и источник S силовой лампы всегда последовательно соединены с стабилитроном, который защищает GS путем ограничения напряжение и предотвращает пробой изоляционного слоя между GS из-за слишком высокого напряжения.

2. Когда два диода соединены последовательно в обратном порядке, цепь, соединенная параллельно, может обеспечить защиту от перенапряжения. Когда в цепи повышено напряжение, сначала пробивается диод, что приводит к короткому замыканию.

Основная функция стабилитрона — стабилизация напряжения. Необходимо следить за тем, чтобы ток через резистор ограничения последовательного тока не превышал установленный предел. Если нет токоограничивающего резистора, он может обеспечить только единственную защиту от перенапряжения, и легко вызвать постоянный отказ в лавинном пробое, что приведет к короткому замыканию.Как правило, источник питания процессора можно подключить параллельно с стабилитроном, напряжение которого на 20% выше, чем его рабочее напряжение. Когда источник питания вызывает слишком высокое напряжение, стабилитрон имеет обратную проводимость, чтобы защитить ЦП от сгорания. Для нормальной работы достаточно только проверить блок питания и заменить стабилитрон.

Из вышеизложенного видно, что стабилитрон находится в пробое обратного тока, в пределах определенного диапазона тока (или в пределах определенного диапазона потерь мощности), напряжение на клеммах почти постоянно, что свидетельствует о характеристиках регулирования напряжения.Это предложение имеет два значения:

1) Диод стабилизации напряжения должен быть обратно включен в цепь.

2) Стабилитрон должен работать в определенном диапазоне (до стабильного текущего состояния) для стабилизации.

Ⅱ Принцип регулирования напряжения

Чтобы понять, как работает стабилитрон, достаточно взглянуть на его обратные характеристики . Основная характеристика всех кристаллических диодов — однонаправленная проводимость.То есть добавление прямого напряжения включается, а обратное напряжение блокируется. Кроме того, добавляемое обратное напряжение не превышает обратного выдерживаемого напряжения диода, иначе стабилитрон сгорит. Но это еще не окончательный результат. Тест показал, что до тех пор, пока значение обратного тока ограничено (например, резистор установлен последовательно между диодом и источником питания), он не сгорит, хотя и сломан. Более того, было обнаружено, что после обратного пробоя диода ток резко уменьшился, а напряжение упало незначительно.Напряжение резко падало при уменьшении силы тока до определенного значения. Именно по этому принципу используется стабилитрон. И наиболее важным моментом при использовании стабилитрона является расчет его текущего значения.

Стабилитрон отличается тем, что после пробоя напряжение на нем остается практически неизменным. Таким образом, когда регулятор напряжения подключен к цепи, если напряжение в каждой точке схемы колеблется из-за колебаний напряжения источника питания или по другим причинам, напряжение на нагрузке останется практически неизменным.

Ⅲ Прикладная схема стабилитрона

3.1 Характеристики стабилитрона

Как правило, нормальный диод имеет прямую проводимость и обратную отсечку. Когда обратное напряжение, приложенное к диоду, превышает возможности диода, диод выходит из строя. Однако есть диод, прямая характеристика которого такая же, как у обычного диода, но обратная характеристика особенная: когда обратное напряжение прикладывается до определенной степени, хотя диод демонстрирует состояние пробоя, пропускается большой ток. , но он не поврежден, и это явление очень воспроизводимо.Напротив, пока диод находится в состоянии пробоя, хотя электричество, протекающее через трубку, сильно меняется, напряжение на диоде изменяется очень мало, чтобы стабилизировать напряжение. Это стабилитрон.

Типы стабилитронов: 2CW, 2DW и т. Д. Символ цепи показан ниже.

Характеристики стабилизации напряжения стабилитрона могут быть четко выражены кривой вольт-амперной характеристики, показанной на рисунке ниже.

Рисунок 3. Вольт-амперная характеристика

Стабилитрон работает, используя характеристику регулирования напряжения обратного пробоя. Поэтому стабилитрон включен в схему в обратном порядке. Напряжение обратного пробоя стабилитрона называется стабильным напряжением, и стабильное напряжение разных типов стабилитронов также отличается. Величина регулирования напряжения определенного типа стабилитрона фиксируется в определенном диапазоне.Например, значение регулирования 2CW11 составляет от 3,2 до 4,5 вольт, где один диод может иметь регулирование напряжения 3,5 В, а другой — 4,2 В.

В практических приложениях , если стабилитрон не выбран для соответствия требуемому требованию регулирования напряжения, можно выбрать стабилитрон с более низким напряжением регулирования. А затем один или несколько кремниевых диодов в качестве «подушек» могут быть подключены последовательно, чтобы повысить стабильность напряжения до требуемого значения. Это достигается за счет использования кремниевого диода с прямым падением напряжения 0.От 6 В до 0,7 В. Следовательно, диод должен быть подключен в прямом направлении цепи, что отличается от стабилитрона.

Стабилизация напряжения стабилитрона может быть выражена его динамическим сопротивлением r:

Рисунок 4. Простая схема регулирования

Очевидно, что для того же изменения тока ΔI, чем меньше изменение напряжения ΔU на стабилитроне, тем меньше динамическое сопротивление и тем лучше рабочие характеристики стабилитрона.

Рисунок 5. Цепь регулирования

3.2 Колебания напряжения сети и колебания нагрузки

Для любой схемы регулирования характеристики регулирования напряжения следует исследовать с двух сторон:

а. колебания напряжения сети

г. изменение нагрузки

Стабилитрон

Когда напряжение сети увеличивается, входное напряжение Ui схемы регулирования напряжения увеличивается, а выходное напряжение Uo также увеличивается пропорционально.Поскольку Uo = Uz, согласно вольт-амперной характеристике стабилитрона, увеличение Uz приведет к резкому увеличению Idz, как и Ir, Ur резко возрастет с Ir одновременно, и увеличение Ur обязательно будет уменьшить выходное напряжение Uo. Следовательно, пока параметры выбраны правильно, приращение напряжения на R может быть приблизительно равно приращению Ui, так что Uo по существу не изменяется. Краткое описание выглядит следующим образом:

Когда напряжение сети падает, изменение каждого значения противоположно описанному выше процессу.

Видно, что при изменении напряжения сети схема регулирования напряжения компенсирует изменение Ui изменением напряжения на токоограничивающем резисторе R, то есть ΔUr ≈ ΔUi, так что Uo не изменяется.

Когда сопротивление нагрузки RL уменьшается, то есть ток нагрузки IL увеличивается, Ir увеличивается, Ur также увеличивается, Uo неизбежно уменьшается, а Uz уменьшается. Согласно вольтамперным характеристикам стабилитрона падение Uz вызывает резкое уменьшение Idz.В результате Ir резко снижается. Если параметры выбраны правильно, ΔIdz≈-ΔIL можно сделать так, чтобы Ir по существу не изменился, так что Uo по существу не изменится. Краткое описание выглядит следующим образом:

Очевидно, что пока ΔIz ≈ — ΔIL сделано в цепи, Ir можно сделать практически неизменным, тем самым гарантируя, что Uo практически не изменится.

Таким образом, в цепи стабилизации напряжения, состоящей из стабилитрона, функция стабилизации тока стабилитрона используется для компенсации изменения напряжения или тока токоограничивающего резистора R для достижения цели стабилизации напряжения.Токоограничивающий резистор R не только ограничивает ток в стабилитроне до нормального режима работы, но также взаимодействует с стабилитроном для достижения цели регулирования напряжения.

3.3 Основные параметры

После понимания принципа регулирования напряжения стабилитрона вы должны понять его основные параметры:

Vz — ровное напряжение: это стабильное значение напряжения, генерируемое двумя концами стабилитрона при прохождении номинального тока.Это значение незначительно меняется в зависимости от рабочего тока и температуры. Из-за различий в производственном процессе значения стабилизации напряжения для одного и того же типа стабилитронов не совсем одинаковы.

Iz — постоянный ток: это значение тока, проходящего через диод, когда стабилитрон генерирует стабильное напряжение. Ниже этого значения, хотя стабилитрон может регулировать напряжение, эффект регулирования напряжения будет хуже; выше этого значения, пока не превышаются потери номинальной мощности, это разрешено, и характеристики регулирования напряжения будут лучше, но потребляется больше энергии.

Rz — динамическое сопротивление: это отношение изменения напряжения на диоде к изменению тока, и это соотношение зависит от рабочего тока. Как правило, чем больше ток, тем меньше динамическое сопротивление. Например, когда рабочий ток регулятора 2CW7C составляет 5 мА, Rz составляет 18 Ом; при рабочем токе 10 мА Rz составляет 8 Ом; когда он составляет 20 мА, Rz составляет 2 Ом, рабочий ток превышает 20 мА.

Pz — номинальная мощность: определяется допустимым превышением температуры микросхемы, и ее значение является произведением стабильного напряжения Vz и максимально допустимого тока Izm.

Ctv — температурный коэффициент напряжения: это параметр, показывающий, что стабильное значение напряжения зависит от температуры.

IR — обратный ток утечки. Он относится к току утечки, создаваемому стабилитроном при заданном обратном напряжении.

S ilicon Zener D iode

На следующем рисунке представлена ​​простая схема регулирования напряжения, состоящая из кремниевого стабилитрона: кремниевый стабилизатор напряжения DW и нагрузка Rfz включены параллельно, а R1 — токоограничивающий резистор.

Рис. 6. Схема кремниевого стабилизирующего диода (a)

Схема кремниевого стабилитрона регулируется обратной характеристикой пробоя стабилитрона. Из-за крутой обратной характеристической кривой большое изменение тока вызовет только небольшое изменение напряжения.

Рис. 7. Схема кремниевого стабилизирующего диода (b)

Как регулируется эта схема? Если напряжение сети повышается, выходное напряжение Usr схемы выпрямителя также повышается, вызывая повышение напряжения нагрузки Usc .Поскольку стабилитрон DW подключен параллельно нагрузке Rfz , до тех пор, пока корень немного увеличивается, ток, протекающий через стабилитрон, резко увеличивается, так что I1 также увеличивается, и падение напряжения на токоограничивающий резистор R1 увеличивается, тем самым компенсируя рост Usr. сохраняет напряжение нагрузки Usc практически неизменным. И наоборот, если напряжение в сети падает, вызывая падение Usr , то же самое происходит и с Usc , ток в стабилитроне резко уменьшается, вызывая уменьшение I1 и падение напряжения на R1 , тем самым смещая падение уср и поддержание нагрузки.Напряжение Usc практически не изменилось.

Если Usr является постоянным и ток нагрузки увеличивается, падение напряжения на R1 увеличивается, вызывая падение напряжения нагрузки Usc . Как только Usc немного падает, ток в стабилитроне быстро уменьшается, уменьшая падение напряжения на R1 и сохраняя падение напряжения на R1 по существу постоянным, что стабилизирует напряжение нагрузки Usc .

Таким образом, стабилитрон действует как автоматическая регулировка тока. Чем меньше динамическое сопротивление стабилитрона, тем больше токоограничивающее сопротивление и лучше стабильность выходного напряжения.

Пример анализа

При использовании стабилитронов они не могут ограничить потенциал до идеального значения на основе ваших фактических требований. Например, следующая цифра:

Рисунок 8.Схема регулирования

После того, как внешний интерфейс получает сигнал, он усиливается операционным усилителем и затем вводится в АЦП микроконтроллера, и видна только выходная цепь:

Рисунок 9. Схема цепи регулирования (часть)

Конденсатор C17 является конденсатором выборки и хранения, а резистор R31 и стабилитрон D9 образуют цепь регулирования напряжения. Если выходное напряжение больше 3.3 В, стабилитрон будет ограничивать его до 3,3 В. Однако это не так, у такого диода есть своя характеристическая кривая. Обратитесь к регулятору BZT52C3V3 на Kynix Semiconductor для замены регулятора 1N4728 в цепи на BZT52C3V3 :

Рис. 10. Характеристики пробоя стабилитрона (а)

Рисунок 11. Характеристики пробоя стабилитрона (б)

Глядя на кривую C3V3 , можно увидеть, что когда ток стабилитрона равен 0, его напряжение составляет примерно 1.8 В, что означает, что когда сопротивление токоограничивающего резистора R31 в цепи бесконечно, ток, протекающий через стабилитрон, почти равен нулю, а выходное напряжение составляет около 1,8 В. Когда сопротивление резистора R31 невелико, ток, протекающий через диод, очень велик независимо от внутреннего сопротивления переднего выхода, а выходное напряжение может достигать от 3,5 В до 4,0 В. Очевидно, что в обоих случаях стабилитрон диоды не очень хорошо выполняют свои обязанности.

Когда входное напряжение меньше 3.3 В, выход и вход входного каскада стабилитрона остаются прежними. Когда входное напряжение внешнего интерфейса больше 3,3 В, стабилитрон выдает 3,3 В. Но на самом деле такого стабилитрона нет.

Предположим, что входное напряжение на приведенной выше принципиальной схеме равно Uo, напряжение стабилитрона равно Ui, сопротивление R31 равно R, а ток через диод равен i, можно получить формулу:

i = (Uo — Ui) / R

Измените формулу на:

i = (-1 / R) * Ui + Uo / R

Это уравнение нанесено на характеристическую кривую стабилитрона:

Рисунок 12.Характеристики пробоя стабилитрона (в)

Перехватчик уравнения равен Uo / R , что соответствует току при коротком замыкании регулятора напряжения. Пересечение уравнения и оси X составляет Ui = Uo . Фокус этой линии и кривой C3V3 является рабочей точкой стабилитрона. Но это уравнение не было определено, потому что значения Uo и R не фиксированы. Мы знаем, что с входным напряжением внешнего интерфейса работает операционный усилитель. Рабочее напряжение операционного усилителя составляет 5 В, поэтому выходное напряжение операционного усилителя не превышает 5 В, поэтому мы предполагаем, что диапазон Uo находится в пределах от 0 до 5 В.

Потому что опорное напряжение AD части системы микроконтроллера составляет 3,3 В. Если вы надеетесь, что выходное напряжение стабилитрона не превышает 3,3 В, необходимо сохранить пересечение приведенного выше уравнения и характеристической кривой не более 3,3 В, предполагая, что напряжение в точке пересечения составляет 3,3 В. В настоящее время ток через стабилитрон составляет 5 мА, когда наше уравнение просто проходит через эту точку:

Рисунок 13. Характеристики пробоя стабилитрона (г)

Выходное напряжение стабилитрона равно 3.3V, и мы называем эту точку точкой отсчета. Если пересечение уравнения и кривой находится ниже контрольной точки, выходное напряжение стабилитрона меньше 3,3 В. Если пересечение уравнения и кривой находится выше контрольной точки, выходное напряжение стабилитрона больше 3,3 В, что повлияет на микроконтроллер и даже сгорит.

Рисунок 14. Характеристики пробоя стабилитрона (д)

Выходное напряжение выше 3.3В ненормально. В нормальном состоянии напряжение, передаваемое операционным усилителем, меньше или равно 3,3 В, и нам нужно, чтобы выходное напряжение Uo операционного усилителя и выходное напряжение стабилитрона были меньше 3,3 В, то есть Uo = Ui. Когда входное напряжение операционного усилителя меньше или равно 3,3 В, пересечение уравнения и оси X составляет Ui≤3,3 В. В это время пересечение уравнения и кривой всегда меньше контрольной точки, потому что уравнение не может быть вертикальным.Ui на перекрестке меньше 3,3 В, что означает, что выход нашего операционного усилителя составляет 3,3 В, а выходное напряжение стабилитрона меньше 3,3 В. Это вызывает искажение сигнала, то есть входной и выходной сигнал несовместимы. Это абсолютно недопустимо в системе, потому что различное напряжение указывает на изменение соответствующего измеренного значения.

Итак, что нам делать, если возникла эта проблема? Мы только что обнаружили, что пересечение характеристической кривой и оси X составляет не Ui = 0 , а Ui = 1.8В . В это время, когда напряжение, передаваемое нашим операционным усилителем, меньше 1,8 В, значения Uo и Ui одинаковы. Другими словами, искажения сигнала не происходит:

Рисунок 15. Характеристики пробоя стабилитрона (f)

Видно, что пересечение уравнения и кривой всегда находится на оси X, что составляет Ui = Uo . Но диапазон уменьшен, с 0 до 3,3В до 1,8В, снижена точность обнаружения АД, для устойчивости системы нужен стабилитрон.Конечно, если вы выберете стабилитрон с лучшей характеристической кривой (более дорогой). В это время пересечение характеристической кривой стабилитрона и оси X может составлять 2,0 В или более.

Мы можем наблюдать характеристическую кривую, чтобы увидеть характеристическую кривую C3V9 трубки Зенера с напряжением 3,9 В. Ui на пересечении с осью X составляет около 3 В. Когда ток стабилитрона составляет около 1 мА, Ui составляет около 3,3 В, для регулирования напряжения можно использовать регулятор напряжения 3,9 В.Уравнение выглядит следующим образом:

Рисунок 16. Характеристики пробоя стабилитрона (г)

При нормальных условиях выходное напряжение операционного усилителя находится в диапазоне 3,3 В, а пересечение уравнения и кривой находится на оси X, как показано на красной линии ниже. Когда значение превышает 3,3 В, чтобы гарантировать, что пересечение уравнения и кривой находится ниже контрольной точки, нам необходимо уменьшить наклон уравнения так, чтобы пересечение уравнения и кривой удовлетворяло Ui ≤ 3.3V, а наклон уравнения равен (-1 / R). Чтобы уменьшить наклон, нужно увеличить значение R, то есть мы можем использовать трубку регулятора 3,9 В для увеличения сопротивления R31. Примерно мы можем видеть, что когда Ui = 3,3 В, i составляет около 1 мА, мы вносим эту точку в уравнение:

1 мА = -3,3 / R + Uo / R

Когда Uo принимает максимальное значение 5 В, рассчитывается R = 1700 Ом. То есть, когда R больше или равно 1700 Ом, а Uo меньше или равно 5 В, пересечение уравнения и кривой всегда меньше контрольной точки.В то же время наш неискаженный диапазон напряжения составляет от 0 до 3 В, что намного больше, чем от 0 до 1,8 В при использовании стабилитрона на 3,3 В.

Внимание к применению

1. Обратите внимание на разницу между обычным диодом и стабилитроном. Многие обычные диоды, особенно стеклянные трубки, имеют схожий цвет или форму по сравнению с диодами Зенера. Если вы не будете их различать внимательно, вы воспользуетесь ими неправильно.Разница в следующем: судя по форме, многие стабилитроны имеют цилиндрическую форму, короткие и толстые, а общий диод — тонкий; Глядя на знак, внешняя поверхность стабилитрона отмечена значением регулятора напряжения, например 5V6, что указывает на то, что значение стабилизации напряжения составляет 5,6 В. Используйте мультиметр для измерения напряжения в соответствии с однонаправленной проводимостью, используя блок X1K для определения положительной и отрицательной полярности проверяемого диода, затем с помощью блока X10K, черную ручку для подключения к отрицательному полюсу диода и красная ручка подключена к положительному полюсу диода.Если значение обратного сопротивления велико, можно использовать обычный диод. Если значение обратного сопротивления становится небольшим, это стабилитрон.

2. Обратите внимание на разницу между прямой и обратной проводимостью стабилитронов. Когда стабилитрон используется для прямой проводимости, он в основном такой же, как и нормальный диод, и напряжение на обоих концах после прямой проводимости в основном постоянное, около 0,7 В. Теоретически стабилитрон также можно использовать в прямом направлении, но его значение регулирования напряжения будет ниже 1 В, а характеристики регулирования напряжения будут плохими.Как правило, характеристика прямой проводимости стабилитрона используется не только для стабилизации, но и с характеристиками обратного пробоя для регулирования. Значение обратного напряжения пробоя — это регулируемое значение. Иногда два стабилитрона используются последовательно, один использует свою прямую характеристику, а другой использует обратную характеристику для регулирования и температурной компенсации, чтобы улучшить регулирование напряжения.

3. Обратите внимание на эффект , токоограничивающего резистора и влияние сопротивления.В схеме стабилизатора напряжения на стабилитроне резистор R обычно включен последовательно. Этот резистор действует как ограничитель тока в цепи и улучшает эффект регулирования напряжения. Если резистор не применяется, когда R = 0, стабилитрон легко выгорит, что приведет к очень плохому эффекту регулирования напряжения. Чем больше сопротивление токоограничивающего резистора, тем лучше характеристики регулирования напряжения схемы, но разница входного и выходного напряжения будет слишком большой, а потребляемая мощность будет больше.

4. Обратите внимание на разницу напряжения между входом и выходом. При нормальном использовании выходное напряжение схемы стабилизатора напряжения на стабилитроне равно значению стабилизации напряжения на обоих концах после обратного пробоя. Если значение напряжения, входящее в схему регулятора напряжения, меньше, чем напряжение регулятора напряжения, схема потеряет регулирование напряжения, только когда оно больше номинального значения, будет действовать эффект регулирования напряжения, и чем больше разница напряжений , тем больше должно быть сопротивление токоограничивающего резистора, иначе трубка регулятора напряжения будет повреждена.

5. Стабилитроны можно использовать в серии . После того, как несколько серий регуляторов напряжения соединены последовательно, можно получить множество различных значений регулирования напряжения, так что последовательное соединение более распространено. В следующем примере показано, как получить значение стабилизации напряжения после того, как они используются последовательно. Если значение стабилизации напряжения стабилитрона составляет 5,6 В, другое значение стабилизации напряжения составляет 3,6 В, а напряжение стабилитрона напряжения равно 0.7 В, после последовательного подключения есть четыре различных значения регулирования напряжения.

6. Стабилитроны обычно не используются параллельно . После того, как несколько стабилитронов подключены параллельно, значение регулирования будет определяться самым низким из них (включая значение напряжения после прямой проводимости). В качестве примера возьмем два регулятора напряжения, чтобы проиллюстрировать метод расчета значения регулирования напряжения. После двух параллельных подключений есть четыре случая, а значение регулирования напряжения равно только двум.Стабилитроны не используются параллельно, если не указано иное.

Часто задаваемые вопросы о принципе работы стабилитрона

1. Для чего нужен стабилитрон? Стабилитроны
используются для регулирования напряжения, в качестве опорных элементов, ограничителей перенапряжения, а также в коммутационных устройствах и схемах ограничителей. Напряжение нагрузки равно напряжению пробоя VZ диода. Последовательный резистор ограничивает ток через диод и снижает избыточное напряжение, когда диод проводит.

2. Каковы характеристики стабилитрона? Стабилитроны
более легированы, чем обычные диоды. У них очень тонкая область истощения. Когда мы прикладываем напряжение больше, чем напряжение пробоя стабилитрона (может варьироваться от 1,2 до 200 вольт), область обеднения исчезает, и через переход начинает течь большой ток.

3. Почему стабилитрон имеет обратное смещение?
При параллельном подключении к источнику переменного напряжения с обратным смещением стабилитрон становится проводящим, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода.С этого момента низкий импеданс диода поддерживает напряжение на диоде на этом значении.

4. Что такое эффект Зенера и эффект лавины?
Зенера и лавинный эффект могут возникать одновременно или независимо друг от друга. Как правило, пробои диодного перехода при напряжении ниже 5 вольт вызваны эффектом стабилитрона, тогда как пробои при напряжении более 5 вольт вызываются лавинным эффектом.

5. Что такое лавинный пробой и пробой Зенера?
Пробой, который происходит из-за столкновения электронов внутри PN-перехода, называется лавинным пробоем, тогда как пробой Зенера происходит, когда сильное электрическое поле прикладывается к PN-переходу…. Потому что механизм пробоя стабилитрона происходит в сильно легированной области.

6. Что произойдет, если стабилитрон смещен в прямом направлении?
Стабилитрон похож на сигнальный диод общего назначения. При смещении в прямом направлении он ведет себя так же, как обычный сигнальный диод, но когда на него подается обратное напряжение, напряжение остается постоянным для широкого диапазона токов. … Обратное напряжение может увеличиваться до тех пор, пока не достигнет напряжения пробоя диода.

7.Как рассчитать ток стабилитрона?
3SMAJ5927B — стабилитрон на 12 В в корпусе 3 Вт. Это ток колена, ток пробоя или минимальный ток 0,25 мА. Максимальный ток рассчитывается делением номинальной мощности на напряжение стабилитрона: I = P / V = ​​3 Вт / 12 В = 0,25 А.

8. Обратим ли пробой стабилитрона?
Лавинный пробой необратим, а пробой Зенера обратим. Лавинный пробой происходит из-за столкновения ускоренных носителей заряда с соседними атомами и из-за размножения носителей.

9. Можно ли использовать стабилитрон в качестве выпрямителя?
Стабилитрон состоит из p-n-перехода, но сильно легирован по сравнению с обычным диодом. В результате он может выйти из строя, не повредившись. И только благодаря этому свойству стабилитрон используется как регулятор напряжения в электронных схемах. Фактически, стабилитроны никогда не используются для выпрямления.

10. Что такое идеальный стабилитрон?
Для идеального диода ток вообще не проходит, когда напряжение меньше нуля: диод полностью предотвращает обратный ток.Для небольшого положительного напряжения («прямое смещение» или иногда «прямое напряжение») может протекать крошечный ток, а очень большой ток будет течь выше заданного порога.

Вам также может понравиться

Лавинный фотодиод

Физические карты и символы диодов

Учебное пособие по основам работы со светодиодами

Функция и принцип действия диода

Принцип работы стабилитрона и определение положительного и отрицательного полюсов

Альтернативные модели

Часть Сравнить Производителей Категория Описание
ПроизводительНомер детали: 540-44-044-24-000000 Сравнить: 940-44-044-24-000000 ВС 540-44-044-24-000000 Производитель: Mill-Max Категория: Розетки для ИС и компонентов Описание: Conn PLCC Socket SKT 44POS 2.54-миллиметровая трубка для припоя ST со сквозным отверстием
Производитель Номер детали: 961103-5604-AR Сравнить: Текущая часть Производители: 3M Категория: Межплатные соединители Описание: Межплатный разъем 3M 961103-5604-AR, 2.54 мм, 3 контакта, заголовок, серия 961, сквозное отверстие, 1 ряд
Производитель Номер для заказа: 22-28-8034 Сравнить: 961103-5604-АР ВС 22-28-8034 Изготовители: Molex Категория: Коллекторы и розетки Описание: Conn Unshrouded Header HDR 3POS 2.Сумка для припоя, 54 мм, RA, сквозное отверстие, KK®,
Производитель Номер детали: 61300311021 Сравнить: 961103-5604-AR VS 61300311021 Производитель: Wurth Electronics Категория: Межплатные соединители Описание: WURTH ELEKTRONIK 61300311021 Межплатный разъем, прямоугольный, 2.54 мм, 3 контакта, Заголовок, Серия WR-PHD, Сквозное отверстие
Стабилитрон

— обзор

Пример 3.4

Желательно поддерживать сопротивление нагрузки R L при постоянном напряжении 100 В, поскольку входное напряжение изменяется от 120 до 110 В. Если стабилизатор напряжения типа, показанного на рис. 3.10a, должен Для достижения этой цели найдите наилучшее значение R s , учитывая, что R L = 10 кОм.

Сначала мы выбираем стабилитрон с напряжением В z = 100 В. Во-вторых, мы должны определить максимальный ток через стабилитрон при нормальной работе и убедиться, что он не превышает максимально допустимый ток стабилитрона.Затем определяем R s .

Для начала предположим, что входное напряжение зафиксировано на уровне В мин = 110 В; тогда падение напряжения 10 В на последовательном сопротивлении R s оставит R L с падением напряжения 100 В — желаемое состояние. Чтобы это произошло, ток 10 мА должен протекать через R L и R с , что определило бы последовательное сопротивление как R с = 10 В / 10 мА = 1 кОм. .Если бы напряжение оставалось на уровне 110 В, стабилитрон не понадобился бы, так как стабилитрон не протекал бы, даже если бы стабилитрон присутствовал. Однако входное напряжение изменяется, как показано на рис. 3.10b. Переключение с 110 В на 120 В обычно происходит не быстро, но может происходить за секунды, минуты или даже часы.

При повышении входного напряжения до 120 В ток через R с будет увеличиваться пропорционально. Чтобы поддерживать R L на уровне 100 В, ток через R L должен оставаться на уровне 10 мА, а любой избыточный ток должен течь через стабилитрон.Когда входное напряжение составляет В макс = 120 В, 20 В падает на R с и 20 мА течет через R с (от 10 мА до R L и 10 мА через стабилитрон). Следовательно, как показано на рис. 3.10b, ток стабилитрона изменяется между I z , мин. = 0 и I z , макс. = 10 мА в ответ на изменения входного напряжения, в то время как нагрузка напряжение остается постоянным на уровне 100 В.

Условие I z , min = 0 может использоваться для определения оптимального значения для R s , то есть

Rs, оптимальный = Vmin − VzIL

, который для нашего примера дает R с , opt = (110 В — 100 В ) / 10 мА = 1 кОм.

Если нам известен максимальный ток I z , максимальный , который может выдержать стабилитрон, мы можем указать минимальное значение R s , которое можно использовать в цепи стабилизатора напряжения на стабилитроне. как

Rs, min = Vmax − VzIz, max + IL

Если предположить, что I z , max = 30 мА, то для R s = (120 — 100 ) / (30 + 10) = 0.5 кОм = 500 Ом. Преимущество использования меньшего сопротивления для R s заключается в том, что если входное напряжение падает ниже 110 В, действие регулятора все еще может иметь место. Недостатком является то, что (i) R s , min рассеивает больше мощности, чем R s , opt , (ii) ток стабилитрона изменяется в пределах I z , min = 10 мА и I z , макс. = 30 мА, тогда как для R s , opt ток Зенера изменяется только от 0 до 10 мА, и (iii) если входное напряжение превышает 120 В, ток стабилитрона превысит максимально допустимый ток I z , max и, скорее всего, повредит диод.

Всегда существует некоторая опасность превышения максимального тока диода либо из-за неожиданного восходящего колебания входного напряжения, либо из-за внезапного отключения нагрузки, в результате чего весь входной ток будет протекать через диод.

Вам может понравится

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.