Стабилитрон: устройство, принцип действия, характеристики

Основой надежной и продолжительной работы электронной аппаратуры является стабильное напряжение питания. Для этого применяют стабилизированные источники питания. Можно сказать, что основным элементом, который определяет уровень выходного напряжения блока питания, это полупроводниковый прибор – стабилитрон. Он может быть как основой линейного стабилизатора, так и пороговым элементом в цепи обратной связи импульсного источника питания. В этой статье мы расскажем читателям сайта Сам Электрик про устройство и принцип работы стабилитрона.

Что это такое

В литературе дается следующее определение:

Стабилитрон или диод Зенера это прибор, предназначенный для стабилизации напряжения в электрических цепях. Работает при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя имеет высокое сопротивление перехода. Протекающие при этом токи незначительны. Широко используются в электронике и в электротехнике.

Если говорить простыми словами, то стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения в электронных схемах. В цепь он включается в обратном направлении. При достижении напряжения, превышающего напряжение стабилизации, происходит обратимый электрический пробой pn-перехода. Как только оно понизится до номинала, пробой прекращается, и стабилитрон закрывается.

На нижеприведенном рисунке представлена графическая схема для чайников, позволяющая понять принцип действия диода Зенера.

Основными преимуществами является невысокая стоимость и небольшие габариты. Промышленность выпускает устройства с напряжением стабилизации о 1,8 — 400 В в металлических, керамических или корпусах из стекла. Это зависит от мощности, на которую рассчитан стабилитрон и других характеристик.

Для стабилизации высоковольтного напряжения от 0,4 до нескольких десятков кВ, применяются стабилитроны тлеющего разряда. Они имеют стеклянный корпус и до появления полупроводниковых приборов применялись в параметрических стабилизаторах.

Аналогичными свойствами обладают приборы, меняющие свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения – это варисторы. Между стабилитроном и варистором разница заключается в том, что последний обладает двунаправленными симметричными характеристиками. А это значит, что в отличие от диодов, он не имеет полярности. Кратко варистор предназначен для обеспечения защиты от перенапряжения электронных схем.

Для предохранения аппаратуры от скачков напряжения применяют супрессоры. Между стабилитроном и супрессором отличия заключаются в том, что первый постепенно изменяет свое внутреннее сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. Второй при достижении определенного порога напряжения открывается сразу. Т.е. его внутреннее сопротивление стремится к нулю. Основное назначение супрессоров — защита аппаратуры от скачков питания.

На рисунке ниже представлено условно графическое обозначение (УГО по ГОСТ) полупроводника и его вольт-амперная характеристика.

На рисунке цифрами указан участок 1-2. Он является рабочим и предназначен для стабилизации напряжения в цепях. Если прибор включить в прямом направлении, то он будет работать как обычный диод.

Рекомендуем посмотреть следующий видеоролик, чтобы подробнее изучить принцип действия стабилитрона, обозначение элементов и область их применения.

Основные характеристики

При проектировании блоков питания, следует уметь правильно произвести расчет и подобрать по значениям необходимый элемент. Неправильно подобранный стабилитрон сразу выйдет из строя или не будет поддерживать напряжение на необходимом уровне.

Основными характеристиками являются:

• напряжение U_cт. стабилизации;
• номинальный ток стабилизации I_ст., протекающий через стабилитрон;
• допустимая мощность рассеивания;
• температурный коэффициент стабилизации;
• динамическое сопротивление.

Эти характеристики определены заводом-изготовителем и указываются в справочной литературе.

Условно графическое обозначение на схемах

Все приборы имеют графическое обозначение. Это необходимо, чтобы не загромождать электрическую схему. Стабилитрон имеет свое условно-графическое обозначение, которое утверждено межгосударственным стандартом единого стандарта конструкторской документации (ЕСКД).

На рисунке снизу представлено как обозначается на схеме по ГОСТ 2.730-73, стабилитрон обозначается практически как диод, так как, в сущности, является одной из его разновидностей.

Для правильного включения следует различать, где плюс, где минус. Если смотреть на приведенный выше рисунок, то на нем плюс (анод) расположен слева, а минус (катод) справа. Согласно ЕСКД размеры УГО диодов должны составлять 5/5 мм. Это иллюстрирует рисунок снизу.

Схема подключения

Рассмотрим работу стабилитрона на примере схемы параметрического стабилизатора.

Допустим, что имеется 15 Вольт, а на выходе необходимо получить 9 В. По таблице напряжений в справочнике подбираем стабилитрон Д810. Произведем расчет токоограничивающего резистора R1, согласно рисунку ниже. На нем показан токоограничивающий резистор и схема включения. Режим регулирования напряжения отмечен на вольт-амперной характеристике 1,2.

Для того чтобы полупроводник не вышел из строя, необходимо учитывать ток стабилизации и ток нагрузки. Из справочника определяем ток стабилизации.

Он равен 5 мА. На рисунке снизу представлена часть справочника.

Предполагаем, что ток нагрузки равен 100 мА:

R1= (U_вх-U_ст)/(I_н+I_cт)= (15-9)/(0.1+0.005)=57.14 Ом.

Если нужен мощный стабилизатор, то стоит собирать схему из стабилитрона и транзистора.

Если необходимо изготовить стабилизатор на небольшое напряжение 0,2-1 В, для этого применяется стабистор. Он является разновидностью стабилитрона, но работает в прямой ветви ВАХ и включается в прямом направлении, в чем его уникальная особенность и заключается.

Аналогичным образом можно изготовить блок питания, где стабилизатор изготовлен из диодов. Как и стабистор их включают в прямом направлении. Нужное напряжение набирают прямыми падениями напряжений на диоде, для кремниевых диодов оно находится в пределах 0.5-0.7В. При отсутствии диодов, можно собрать стабилитрон из транзистора.

На нижеприведенном рисунке представлена схема на транзисторе.

Промышленность выпускает и управляемые стабилитроны. Или, точнее сказать, это микросхема — TL431. Это универсальная микросхема, позволяет регулировать напряжение в пределах от 2,5 до 36 вольт.

Регулировка осуществляется путем подбора делителя сопротивлений. На нижеприведенной схеме представлен стабилизатор на 5 вольт. Делитель собран на резисторах номиналом 2,2 К.

Специалист должен знать, как проверить мультиметром работоспособность стабилитрона. Сразу отметим, что проверить можно только однонаправленный элемент, сдвоенные (двунаправленные) такой проверке не подлежат. Если диод Зенера исправен, то при «прозвонке» тестером в одну сторону он будет показывать обрыв, а во вторую минимальное сопротивление. Неисправный звонится в обе стороны.

Маркировка

В зависимости от мощности диода, они выпускаются в различных корпусах. На металлических корпусах большой мощности указывается буквенное обозначение типа прибора.

На нижеприведенных фото представлены приборы советского производства, и как они выглядели.

Сейчас маломощные диоды выпускаются в стеклянных корпусах. Маркировка импортных приборов имеет цветовое обозначение. На корпус наносится маркировка полосами или цветными кольцами.

На нижеприведенном рисунке представлена маркировка SMD-диодов.

Отечественные диоды в стеклянных корпусах маркируют полосами или кольцами. Определить тип и параметры можно по любому справочнику радиоэлектронных компонентов. Например, зеленая полоса обозначает стабилитрон КС139А, а голубая полоса (или кольцо) указывает на КС133А.

На мощных устройствах в металлических корпусах указывается буквенное обозначение, например, Д816, как показано на фото вверху. Это необходимо для того, чтобы знать, как подобрать аналог.

Вот мы и рассмотрели, какие бывают стабилитроны, как они работают и для чего нужны. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Материалы по теме:

8. Полупроводниковый стабилитрон. Как работает, расчет простейшей схемы стабилизации на стабилитроне.

На рисунке подписаны выводы стабилитрона. Собственно говоря, названия выводов такие же как и у диода, поскольку, по сути это один и тот же элемент.

 Для того чтобы идти дальше, нужно показать ВАХ стабилитрона:

Этот график не совсем похож на те, что обычно рисуют в учебниках, поскольку, данная ВАХ снята в симуляторе эл. цепей, где можно еще и обозначить точки.

 Итак, для снятия ВАХ использовался стабилитрон с напряжением стабилизации (можно сказать с напряжением пробоя) равным 5,6 Вольт. Сама кривая стабилитрона обозначена коричневым цветом. Для наглядности, курсор синего цвета выставлен на начало координат (0).

Далее, перемещаем курсор красного цвета левее на начало резкого увеличения обратного тока, и видим, что напряжение составило 5,61 Вольт, при этом ток равен 5,82 миллиампер (имеется ввиду по модулю). Далее, напряжение слабо меняется по сравнению с током, в этом и есть вся прелесть данного элемента. Кстати, если посмотреть на правую часть графика, то видно, что при превышении прямого напряжения равного ≈ 0,65 Вольт, прямой ток начинает резко увеличиваться. Это говорит о том, что при прямом смещении наш элемент работает как диод. Это и не мудрено, поскольку это один и тот же  p-n переход, просто чтобы   использовать его в качестве диода, технологически делают так, чтобы обратное напряжение пробоя в нем было как можно больше (до 1000 Вольт для сетевого напряжения ), чтобы он при обратном смещении не пробился и не нарушил работу схемы, например, мостового выпрямителя для сетевого напряжения, где амплитудное значение доходит до ≈ 310 Вольт. Если поставленнаяя цель — использование пробоя в обратносмещенном p-n переходе для стабилизации напряжения, тогда технологически делают так, что обратное напряжение пробоя p-n перехода наступает при относительно малых напряжениях.

Rогр = (U пит-Uстаб)/(Icтаб+Iнагр),

где Rогр — резистор, ограничивающий ток через стабилитрон, U пит — напряжение питания схемы, Uстаб — напряжение пробоя стабилитрона, Icтаб — ток, проходящий через стабилитрон, Iнагр — ток нагрузки. Итак, допустим что нам нужно рассчитать R огр исходя из известных величин:

Uстаб = 5,6 Вольт;

Iнагр 10 миллиампер.

Еще один важный момент. В итоге, Rогр должен быть таким, чтобы полученный ток через стабилитрон был больше или равен минимальному току стабилизации, указанному в даташите на стабилитрон. Теперь посчитаем. Поскольку ток нагрузки у нас равен 10 миллиампер, то ток через стабилитрон у нас должен быть в нашем случае больше или равен 5 миллиампер (это минимальный ток стабилизации стабилитрона, который будет использоваться дальше в симуляции для проверки). Возьмем, например Icтаб=20 миллиампер. Теперь все подставляем в формулу и рассчитываем:

                                                           Rогр = (12-5,6)/(0,02+0,01)=213,3 (Ом)

Соберем схему в симуляторе и проверим наши расчеты:

Для того чтобы обеспечить величину тока нагрузки для этой схемы, подключен резистор R2 с таким номиналом, что ток нагрузки практически равен 10 миллиампер. Величина резистора нагрузки рассчитывается легко с помощью закона Ома, зная величину напряжения на стабилитроне и требуемый ток нагрузки. Амперметр AM1 измеряет ток через ограничивающий резистор, АМ2 — через стабилитрон, АМ3 — это ток нагрузки. Как видно, результаты практически совпали. В идеале, ток через стабилитрон немного меньше расчетного потому что напряжение измеренное на стабилитроне с помощью вольтметра VM1 составило не 5, 6 Вольт, а 5,71 Вольт. Это связано стем, что это напряжение все-таки немного зависит от протекаемого тока через стабилитрон и увеличивается по мере увеличения этого тока. Чем меньше напряжение будет зависеть от протекаемого тока, тем лучше для нашей нагрузки. Для практических расчетов вышеприведенной формулы вполне хватает.

Здесь вывод VF1 подключен для измерения величины амплитуды на генераторе. А это график напряжений, полученный с выводов VF1 и VM1:

Как видно, полный размах пульсирующего напряжения на входе схемы достигает 2 Вольт, а на выходе стабилитрона этих пульсаций практически не видно, значит, что он отлично справляется с поставленной задачей.

Как работает стабилизатор напряжения на стабилитроне

Для многих электрических схем и цепей достаточно простого блока питания, который не имеет стабилизированной выдачи напряжения. Такие источники чаще всего включают в себя низковольтный трансформатор, диодный выпрямительный мост, и конденсатор, выступающий в виде фильтра.

Напряжение на выходе блока питания имеет зависимость от числа витков вторичной катушки трансформатора. Обычно напряжение бытовой сети имеет посредственную стабильность, и сеть не выдает нужные 220 вольт. Величина напряжения может плавать в интервале от 200 до 235 В. Значит, и напряжение на выходе трансформатора также не будет стабильным, а вместо стандартных 12 В получиться от 10 до 14 вольт.

Работа схемы стабилизатора

Электрические устройства, которые не чувствительны небольшим перепадам напряжения питания могут обойтись обычным блоком питания. А более капризные приборы уже не смогут работать без стабильного питания, и могут попросту сгореть. Поэтому есть необходимость во вспомогательной схеме выравнивания напряжения на выходе.

Рассмотрим схему работы простого стабилизатора, выравнивающего постоянное напряжение, на транзисторе и стабилитроне, который играет роль основного элемента, определяет, выравнивает напряжение на выходе блока питания.

Перейдем к конкретному рассмотрению электрической схемы обычного стабилизатора для выравнивания постоянного напряжения.

• Имеется трансформатор для понижения напряжения с переменным напряжением на выходе 12 В.
• Такое напряжение поступает на вход схемы, а конкретнее, на диодный выпрямительный мост, а также фильтр, выполненный на конденсаторе.
• Выпрямитель, выполненный на основе диодного моста, преобразует переменный ток в постоянный, однако получается скачкообразная величина напряжения.
• Полупроводниковые диоды должны работать на наибольшей силе тока с резервом 25%. Такой ток может создавать блок питания.
• Обратное напряжение не должно снижаться меньше, чем выходное напряжение.
• Конденсатор, играющий роль своеобразного фильтра, выравнивает эти перепады питания, преобразуя форму напряжения в практически идеальную форму графика. Емкость конденсатора должна находиться в пределах 1-10 тысяч мкФ. Напряжение должно быть тоже выше входной величины.

Нельзя забывать о следующем эффекте, что после электролитического конденсатора (фильтра) и диодного выпрямительного моста переменное напряжение повышается на величину около 18%. А значит, что в результате получается не 12 В на выходе, а около 14,5 В.

Действие стабилитрона

Следующим этапом работы является работа стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения в конструкции стабилизатора. Он является главным функциональным звеном. Нельзя забывать, что стабилитроны могут в определенных пределах выдерживать стабильность на некотором постоянном напряжении при обратном подключении. Если подать напряжение на стабилитрон от нуля до стабильного значения, то оно будет повышаться.

Когда оно дойдет до стабильного уровня, то останется постоянным, с небольшим возрастанием. При этом будет увеличиваться сила тока, проходящего по нему.

В рассматриваемой схеме обычного стабилизатора, у которого выходное напряжение должно быть 12 В, стабилитрон определен для величины напряжения 12,6 В, так как 0,6 В будет являться потерей напряжения на переходе транзистора эмиттер – база. Выходное напряжение на приборе будет именно 12 В. А так как мы устанавливаем стабилитрон на величину 13 В, на выходе блока получится примерно 12,4 вольта.

Стабилитрон требует ограничения тока, предохраняющего его от излишнего нагревания. Судя по схеме, эту функцию осуществляет сопротивление R1. Оно включено по последовательной схеме со стабилитроном VD2. Другой конденсатор, выполняющий функцию фильтра, подключен параллельно стабилитрону. Он должен выравнивать возникающие импульсы напряжения. Хотя можно вполне обойтись и без него.

На схеме изображен транзистор VТ1, подключенный с общим коллектором. Такие схемы характеризуются значительным усилением тока, однако при этом по напряжению усиления нет. Отсюда следует, что на выходе транзистора образуется постоянное напряжение, имеющееся на входе. Так как эмиттерный переход забирает на себя 0,6 В, то на выходе транзистора получается всего 12,4 В.

Для того, чтобы транзистор стал открываться, необходим резистор для образования смещения. Такую функцию выполняет сопротивление R1. Если изменять его величину, то можно изменять выходной ток транзистора, а, следовательно, и выходной ток стабилизатора. В качестве эксперимента можно вместо резистора R1 подключить переменный резистор на 47 кОм. Регулируя его можно изменять выходную силу тока блока питания.

В конце схемы стабилизатора напряжения подключен еще один маленький конденсатор электролитического типа С3, который выравнивает импульсы напряжения на выходе стабилизированного устройства. К нему припаян по параллельной схеме резистор R2, который замыкает эмиттер VТ1 на отрицательный полюс схемы.

Заключение

Эта схема наиболее простая, включает в себя наименьшее количество элементов, создает стабильное напряжение на выходе. Для работы множества электрических устройств этого стабилизатора вполне достаточно. Такой транзистор и стабилитрон рассчитаны на наибольшую силу тока 8 А. Значит, что для подобного тока необходим охлаждающий радиатор, отводящий тепло от полупроводников.

Для разработки таких стабилизаторов чаще всего применяются стабилитроны, транзисторы и стабисторы. Они имеют пониженный КПД, поэтому используются только в маломощных схемах. Чаще всего они применяются в качестве источников основного напряжения в схемах компенсации стабилизаторов напряжения. Такие параметрические стабилизаторы бывают мостовыми, многокаскадными и однокаскадными. Это наиболее простые схемы стабилизаторов, построенных на основе стабилитрона и других полупроводниковых элементов.

Как работает стабилитрон. Стабилитрон — это что такое и для чего он нужен? Принцип работы стабилитрона

Много-много лет тому назад такого слова как стабилитрон не существовало вообще. Тем более в бытовой аппаратуре.

Попробуем представить себе громоздкий ламповый приёмник середины двадцатого века. Многие приносили их в жертву собственному любопытству, когда папа с мамой приобретали что-нибудь новое, а «Рекорд» или «Неман» отдавали на растерзание .

Блок питания лампового приёмника был предельно прост: мощный кубик силового трансформатора , который обыкновенно имел всего две вторичных обмотки, диодный мостик или селеновый выпрямитель, два электролитических конденсатора и резистор на два ватта между ними.

Первая обмотка питала накал всех ламп приёмника переменным током и напряжением 6,3V (вольт), а на примитивный выпрямитель приходило порядка 240V для питания анодов ламп. Ни о какой стабилизации напряжения и речи не шло. Исходя из того, что приём радиостанций вёлся на длинных, средних и коротких волнах с очень узкой полосой и ужасным качеством, наличие или отсутствие стабилизации напряжения питания на это качество совершенно не влияло, а приличной автоподстройки частоты на той элементной базе просто быть не могло.

Стабилизаторы в то время применялись только в военных приёмниках и передатчиках, конечно тоже ламповые. Например: СГ1П – стабилизатор газоразрядный, пальчиковый. Так продолжалось до тех пор, пока не появились транзисторы. И тут выяснилось, что схемы, выполненные на транзисторах очень чувствительны к колебаниям питающего напряжения, и обыкновенным простым выпрямителем уже не обойтись. Используя физический принцип, заложенный в газоразрядных приборах, был создан полупроводниковый стабилитрон реже называемый диод Зенера.

Графическое изображение стабилитрона на принципиальных схемах.

Внешний вид стабилитронов. Первый сверху в корпусе для поверхностного монтажа . Второй сверху – в стеклянном корпусе DO-35 и мощностью 0,5 Вт. Третий, – мощностью 1 Вт (DO-41). Естественно, стабилитроны изготавливают в разнообразных корпусах. Иногда в одном корпусе объединяется два элемента.

Принцип работы стабилитрона.

Прежде всего, не следует забывать, что стабилитрон работает только в цепях постоянного тока. Напряжение на него подают в обратной полярности, то есть на анод стабилитрона будет подан минус «-«. При таком включении через него протекает обратный ток (I обр ) от выпрямителя. Напряжение с выхода выпрямителя может изменяться, будет изменяться и обратный ток, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется неизменным, то есть стабильным. На следующем рисунке показана вольт-амперная характеристика стабилитрона.

Стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ (Вольт-Амперной Характеристики), как показано на рисунке. К его основным параметрам относятся U ст . (напряжение стабилизации) и I ст . (ток стабилизации). Эти данные указаны в паспорте на конкретный тип стабилитрона. Причём величина максимального и минимального тока учитывается только при расчёте стабилизаторов с прогнозируемым большим изменением напряжения.

Основные параметры стабилитронов.

Для того чтобы подобрать нужный стабилитрон необходимо разбираться в маркировках полупроводниковых приборов. Раньше все типы диодов, включая и стабилитроны, обозначались буквой “Д” и цифрой определяющей, что же это за прибор. Вот пример очень популярного стабилитрона Д814 (А, Б, В, Г). Буква показывала напряжение стабилизации.

Рядом паспортные данные современного стабилитрона (2C147A ), который использовался в стабилизаторах для питания схем на популярных сериях микросхем К155 и К133 выполненных по ТТЛ технологии и имеющих напряжение питания 5V.

Чтобы разбираться в маркировках и основных параметрах современных отечественных полупроводниковых приборов необходимо немного знать условные обозначения. Они выглядят следующим образом: цифра 1 или буква Г – германий, цифра 2 или буква К – кремний, цифра 3 или буква А – арсенид галлия. Это первый знак. Д – диод, Т – транзистор, С – стабилитрон, Л – светодиод. Это второй знак. Третий знак это группа цифр обозначающих сферу применения прибора. Отсюда: ГТ 313 (1Т 313) – высокочастотный германиевый транзистор, 2С147 – кремниевый стабилитрон с номинальным напряжением стабилизации 4,7 вольта, АЛ307 – арсенид-галлиевый светодиод.

Вот схема простого, но надёжного стабилизатора напряжения.

Между коллектором мощного транзистора и корпусом подается напряжение с выпрямителя и равное 12 – 15 вольт. С эмиттера транзистора мы снимаем 9V стабилизированного напряжения, так как в качестве стабилитрона VD1 мы используем надёжный элемент Д814Б (см. таблицу). Резистор R1 – 1кОм, транзистор КТ819 обеспечивающий ток до 10 ампер.

Транзистор необходимо разместить на радиаторе-теплоотводе. Единственный недостаток данной схемы – это невозможность регулировки выходного напряжения. В более сложных схемах подстроечный резистор, конечно, имеется. Во всех лабораторных и домашних радиолюбительских источниках питания есть возможность регулировки выходного напряжения от 0 и до 20 – 25 вольт.

Интегральные стабилизаторы.

Развитие интегральной микроэлектроники и появление многофункциональных схем средней и большой степени интеграции, конечно, коснулось и проблем связанных со стабилизацией напряжения. Отечественная промышленность напряглась и выпустила на рынок радиоэлектронных компонентов серию К142, которую составляли как раз интегральные стабилизаторы. Полное название изделия было КР142ЕН5А, но так как корпус был маленький и название не убиралось целиком, стали писать КРЕН5А или Б, а в разговоре они назывались просто «кренки».

Сама серия была достаточно большая. В зависимости от буквы варьировалось выходное напряжение. Например, КРЕН3 выдавал от 3 до 30 вольт с возможностью регулировки, а КРЕН15 был пятнадцативольтовым двухполярным источником питания.

Подключение интегральных стабилизаторов серии К142 было крайне простым. Два сглаживающих конденсатора и сам стабилизатор. Взгляните на схему.

Если есть необходимость получить другое стабилизированное напряжение, то поступают следующим образом: допустим, мы используем микросхему КРЕН5А на 5V, а нам нужно другое напряжение. Тогда между вторым выводом и корпусом ставится стабилитрон с таким расчётом, чтобы сложив напряжение стабилизации микросхемы, и стабилитрона мы получили бы нужное напряжение. Если мы добавим стабилитрон КС191 на V = 9,1 + 5V микросхемы, то на выходе мы получим 14.1 вольт.

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:

• U ст — напряжение стабилизации при номинальном токе I ст;
• I ст min — минимальный ток начала электрического пробоя;
• I ст 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:

P max = I ст max ∙ U ст.

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 R б 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 R б.
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 R б 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

Резистор R б рассчитывается по формуле:

R б = (U пит — U ном)(I ст + I н).

Ток стабилитрона I ст выбирается между допустимыми максимальным и минимальным значениями, в зависимости от напряжения на входе U пит и тока нагрузки I н.

Выбор стабилитронов

Элементы имеют большой разброс по напряжению стабилизации. Чтобы получить точное значение U н, 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:

• U пит = 12-15 В — напряжение входа;
• U ст = 9 В — стабилизированное напряжение;

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:

R экв = 9 В / 0,1 А = 90 Ом.

Теперь можно определить сопротивление балласта:

R б = 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:

U R = 15 — 9 = 6 В.

Затем определяется ток через резистор:

I R = 6/30 = 0,2 А.

Поскольку стабилитрон подключен к нему последовательно, I c = I R = 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 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 U ст = 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.

Заключение

Стабилитрон — это диод с особыми свойствами. Достоинством стабилитронов является высокий уровень стабилизации напряжения при широком диапазоне изменения рабочего тока, а также простые схемы подключения. Для стабилизации малого напряжения приборы включают в прямом направлении, и они начинают работать как обычные диоды.

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

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, Imin – это 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 . 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.

Блок питания 0-30 Вольт своими руками

Сколько всяких интересных радиоустройств собирают радиолюбители, но основа, без которой не будет работать практически ни одна схема — блок питания . .Часто до сборки приличного блока питания просто не доходят руки. Конечно промышленность выпускает достаточно качественных и мощных стабилизаторов напряжения и тока, однако не везде они продаются и не у всех есть возможность их купить. Проще спаять своими руками.

Схема блока питания:

Предлагаемая схема простого (всего 3 транзистора) блока питания выгодно отличается от аналогичных точностью поддержания выходного напряжения — тут применена компенсационная стабилизация, надёжностью запуска, широким диапазоном регулировки и дешёвыми недефицитными деталями.

После правильной сборки работает сразу, только подбираем стабилитрон согласно требуемому значению максимального выходного напряжения БП.

Корпус делаем из того, что под рукой. Классический вариант — металлическая коробочка от компьютерного БП ATX. Уверен, каждый имеет их немало, так как иногда они сгорают, а купить новый проще, чем чинить.

В корпус прекрасно влазит трансформатор на 100 ватт, и плате с деталями найдётся место.

Кулер можно оставить — лишним не будет. А чтоб не шумел, просто питаем его через токоограничительный резистор, который подберёте экспериментально.

Для передней панели не поскупился и купил пластиковую коробочку — в ней очень удобно делать отверстия и прямоугольные окна для индикаторов и регуляторов.

Амперметр берём стрелочный — чтоб хорошо были видны броски тока, а вольтметр поставил цировой — так удобнее и красивее!

После сборки регулируемого блока питания проверяем его в работе — он должен давать почти полный ноль при нижнем (минимальном) положении регулятора и до 30В — при верхнем. Подключив нагрузку пол ампера — смотрим на просадку выходного напряжения. Она должна быть тоже минимальной.

В общем, при всей своей кажущейся простоте, данный блок питания наверное один из лучших по своим параметрам. При необходимости можно добавить в него узел защиты — пару лишних транзисторов.

Диод. Светодиод. Стабилитрон / Хабр

Не влезай. Убьет! (с)

Постараюсь объяснить работу с диодами, светодиодами, а также стабилитронами на пальцах. Опытные электронщики могут пропустить статью, поскольку ничего нового для себя не обнаружат. Не буду вдаваться в теорию электронно-дырочной проводимости pn-перехода. Я считаю, что такой подход обучения только запутает начинающих. Это голая теория, почти не имеющая отношения к практике. Впрочем, интересующимся теорией предлагаю

. Всем желающим добро пожаловать под кат.

Это вторая статья из цикла электроники. Рекомендую к прочтению также

, которая повествует о том, что такое электрический ток и напряжение.

Диод – полупроводниковый прибор, имеющий 2 вывода для подключения. Изготавливается, упрощенно говоря, путем соединения 2х полупроводников с разным типом примеси, их называют донорной и акцепторной, n и p соответственно, поэтому диод содержит внутри pn-переход. Выводы, обычно состоящие из луженой меди, называют анод (А) и катод (К). Эти термины пошли еще со времен электронных ламп и используются в письменном виде, для обозначения направленности диода. Гораздо проще графическое обозначение. Названия выводов диода запомнятся сами собой при применении на практике.

Как я уже писал, мы не будем использовать теорию электронно-дырочной проводимости диода. Просто инкапсулируем эту теорию до черного ящика с двумя зажимами для подключения. Примерно так же программисты инкапсулируют работу со сторонними библиотеками, не вдаваясь в е… подробности их работы. Или, например, когда, пользуясь пылесосом, мы не вдаёмся в подробности, как он устроен внутри, он просто работает и нам важно одно из свойств пылесоса – сосать пыль.

Рассмотрим свойства диода, самые очевидные:

• От анода к катоду, такое направление называется прямым, диод пропускает ток.
• От катода к аноду, в обратном направлении, диод ток не пропускает. (Вообще-то нет. Но об этом позже.)
• При протекании тока, в прямом направлении, на диоде падает некоторое напряжение.

Возможно эти свойства вам и так хорошо известны. Но есть некоторые дополнения. Что же считать прямым, а что обратным направлением? Прямым называют такое включение, когда на аноде напряжение больше, чем на катоде. Обратное, наоборот. Прямое и обратное включение – это условность. В реальных схемах напряжение на одном и том же диоде может меняться с прямого на обратное и наоборот.

Кремниевый диод начинает пропускать хоть какой-либо значимый ток только тогда, когда на аноде напряжение будет больше примерно на 0,65 В, чем на катоде. Нет, не так. При протекании хоть какого-либо тока, на диоде образуется падение напряжения, примерно равное 0,65 В и выше.

Напряжение 0,65 В – называют прямым падением напряжения на pn-переходе. Это лишь примерная средняя величина, она зависит от тока, температуры кристалла и технологии изготовления диода. При изменении протекающего тока, она изменяется нелинейно. Чтобы как-то обозначить эту нелинейность графически, производители снимают вольтамперные характеристики диода. В мощных высоковольтных диодах падение напряжения может быть больше в 2, 3 и т.д. раза. Это означает, что внутри диода включено несколько pn-переходов последовательно.

Для определения падения напряжения можно использовать вольтамперную характеристику (ВАХ) диода в виде графика. Иногда эти графики приводятся в дата-листах (datasheets) на реальные модели диода, но чаще их нет. На первом мне попавшемся графике ниже приведены ВАХ КД243А, хотя это не важно, они все примерно похожи.

На графике Uпр – это прямое падение напряжения на диоде. Iпр – протекающий через диод ток. График показывает какое падение напряжения на диоде будет, при протекании n-го тока. Но чаще всего в даталистах не показываются реальные ВАХ, а приводится прямое падение напряжения, указанное при определенном токе. В английской литературе падение напряжения обозначается как forward voltage.

Как применять

Падение напряжения на диоде – для нас плохая характеристика, поскольку это напряжение не совершает полезной работы и рассеивается в виде тепла на корпусе диода. Чем меньше падение, тем лучше. Обычно падение напряжения на диоде определяют исходя из тока, протекающего через диод. Например, включим диод последовательно с нагрузкой. По сути это будет защита схемы от переплюсовки, на случай, если блок питания отсоединяемый. На рисунке ниже в качестве защищаемой схемы взят резистор 47 Ом, хотя в реальности это может быть все, что угодно, например, участок большой схемы. В качестве блока питания – батарея на 12 В.

Допустим, нагрузка без диода потребляет 255 мА. В данном случае это можно посчитать по закону Ома: I= U / R = 12 / 47 = 0,255 А или 255 мА. Хотя обычно потребление сферической схемы в вакууме уже известно, хотя бы по максимальным характеристикам блока питания. Найдем на графике ВАХ, указанный выше, падение напряжения для диода КД243А при 0,255 А протекающего тока, при 25 градусах. Оно равно примерно 0,75 В. Эти 0,75 В упадут на диоде, и для питания схемы останется 12 — 0,75 = 11,25 В — иногда может и не хватить. Как бонус, можно найти мощность, в виде тепла и потерь выделяющуюся на диоде по формуле P = I * U = 0,75 * 0,255 = 0,19 Вт, где I и U – ток через диод и падение напряжения на диоде.

Что же делать, когда график ВАХ недоступен? Например, для популярного диода 1n4007 указано только прямое напряжения forward voltage 1 В при токе 1 А. Нужно и использовать это значение, либо измерить реальное падение. А если для какого-либо диода это значение не указано, то сойдет среднее 0,65 В. В реальности проще это падение напряжения измерить вольтметром в схеме, чем выискивать в графиках. Думаю, не надо объяснять, что вольтметр должен быть включен на постоянное напряжение, если через диод течет постоянный ток, а щупы должны касаться анода и катода диода.

Немного про другие характеристики

В предыдущем примере, если перевернуть батарейку, я имею ввиду поменять полярность, см. нижний рисунок, ток не потечет и падение напряжения на диоде в худшем случае составит 12 В — напряжение батареи. Главное, чтобы это напряжение не превышало напряжение пробоя нашего диода, оно же обратное напряжение, оно же breakdown voltage. А также важно еще одно условие: ток в прямом направлении через диод не превышал номинальный ток диода, он же forward current. Это два основных параметра по которых выбирается диод: прямой ток и обратное напряжение.

Иногда в даталистах также указывается рассеиваемая мощность диодом или номинальная мощность (power dissipation). Если она указана, то ее нельзя превышать. Как ее посчитать, мы уже разобрались на предыдущем примере. Но если мощность не указана, тогда надо ориентироваться по току.

Говорят, что в обратном направлении ток через диод не течет, ну или почти не потечет. На самом деле через него протекает ток утечки, reverse current в английской литературе. Этот ток очень маленький, от нескольких наноампер у маломощных диодов до нескольких сот микроампер, у мощных. Также этот ток зависит от температуры и приложенного напряжения. В большинстве случаем ток утечки не играет никакой роли, например, в как в предыдущем примере, но, когда вы будете работать с наноамперами и поставите какой-либо защитный диод на входе операционного усилителя, тогда может случиться ой… Схема поведет себя совсем не так, как задумывалась.

У диодов так же есть некоторая маленькая паразитная емкость capacitance. Т.е., по сути, это конденсатор, параллельно включенный с диодом. Эту емкость надо учитывать при быстрых процессах при работе диода в схеме с десятками-сотнями мегагерц.

Также несколько слов по поводу термина «номинал». Обычно номинальные ток и напряжение обозначают, что при превышении этих параметров производитель не гарантирует работу изделия, если не сказано другое. И это для всех электронных компонентов, а не только для диода.

Что еще можно сделать

Применений диодов существует множество. Разработчики-радиоэлектронщики обычно выдумывают свои схемы из кусочков других схем, так называемых строительных кирпичиков. Вот несколько вариантов.

Например, схема защиты цифровых или аналоговых входов от перенапряжения:

Диоды в этой схеме при нормальной работе не пропускают ток. Только ток утечки. Но когда по входу возникает перенапряжение с положительной полуволной, т.е. напряжение входа становится больше чем Uпит плюс прямое падение напряжения на диоде, то верхний диод открывается и вход замыкается на шину питания. Если возникает отрицательная полуволна напряжения, то открывается нижний диод и вход замыкается на землю. В этой схеме, кстати, чем меньше утечки и емкость у диодов, тем лучше. Такие схемы защиты уже, как правило, стоят во всех современных цифровых микросхемах внутри кристалла. А внешними мощными сборками TVS-диодов защищают, например, USB порты на материнских платах.

Также из диодов можно собрать выпрямитель. Это очень распространённый тип схем и вряд ли кто-то из читателей про них не слышал. Выпрямители бывают однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. С однополупериодным выпрямителем мы уже познакомились в нашем самом первом многострадальном примере, когда рассматривали защиту от переплюсовки. Никакими особыми плюсами не обладает, кроме плюса на батарейке. Один из самых важных минусов, который ограничивает применение схемы однополупериодного выпрямителя на практике: схема работает только с положительной полуволной напряжения. Отрицательное напряжение напрочь отсекает и ток при этом не течет. «Ну и что?», скажете вы, «Такой мощности мне будет достаточно!». Но нет, если такой выпрямитель стоит после трансформатора, то ток будет протекать только в одну сторону через обмотки трансформатора и, таким образом, трансформаторное железо будет дополнительно подмагничиваться. Трансформатор может войти в насыщение и греться намного больше положенного.

Двухполупериодные выпрямители этого недостатка лишены, но им необходим средний вывод обмотки трансформатора. Здесь при положительной полярности переменного напряжения открыт верхний диод, а при отрицательной – нижний. КПД трансформатора используется не полностью.

Мостовые схемы лишены обоих недостатков. Но теперь на пути тока включены два диода в любой момент времени: прямой диод и обратный. Падение напряжения на диодах удваивается и составляет не 0,65-1В, а в среднем 1,3-2В. С учетом этого падения считается выпрямленное напряжение.

Например, нам надо получить 18 вольт выпрямленного напряжения, какой трансформатор для этого выбрать? 18 вольт плюс падение на диодах, возьмем среднее 1,4 В, равно 19,4 В. Мы знаем из

, что амплитудное значение переменного напряжения в корень из 2 раз больше его действующего значения. Поэтому во вторичной цепи трансформатора переменное действующее напряжение равно 19,4 / 1,41 = 13,75В. С учетом того, что напряжение в сети может гулять на 10%, а также под нагрузкой напряжение немного просядет, выберем трансформатор 230/15 В.

Мощность требуемого нам трансформатора можно посчитать от тока нагрузки. Например, мы собираемся подключать к трансформатору нагрузку в один ампер. Это если с запасом. Всегда оставляйте небольшой запас, в 20-40%. Просто по формуле мощности можно найти P = U * I = 15 * 1 = 15 ВА, где U и I – напряжение и ток вторичной обмотки. Если вторичных обмоток несколько, то их мощности складываются. Плюс потери на трансформацию, плюс запас, поэтому выберем трансформатор 20-40 ВА. Хотя часто трансформаторы продаются с указанием тока вторичных обмоток, но проверить по габаритной мощности не помешает.

После выпрямительного моста необходим сглаживающий конденсатор, на рисунке не показан. Не забывайте про него! Есть умные формулы по расчету этого конденсатора в зависимости от количества пульсаций, но порекомендую такое правило: ставить конденсатор 10000мкФ на один ампер потребления тока. Вольтаж конденсатора не меньше, чем выпрямленное без нагрузки напряжение. В данном примере можно взять конденсатор с номиналом 25В.

Диоды в этой схеме выберем на ток >=1А и обратное напряжение, с запасом, больше 19,4 В, например, 50-1000 В. Можно применить диоды Шоттки. Это те же диоды, только с очень маленьким падением напряжения, которое часто составляет десятки милливольт. Но недостаток диодов Шоттки – их не выпускают на более-менее высокие напряжения, больше 100В. Точнее с недавнего времени выпускают, но их стоимость заоблачная, а плюсы уже не так очевидны.

Светодиод

Внутри устроен совсем по другому, чем диод, но имеет те же самые свойства. Только еще и светится при протекании тока в прямом направлении.

Все отличие от диода в некоторых характеристиках. Самое важное – прямое падение напряжения. Оно гораздо больше, чем 0,65 В у обычного диода и зависит в основном от цвета светодиода. Начиная от красного, падение напряжения которого составляет в среднем 1,8 В, и заканчивая белым или синим светодиодом, падение у которых около 3,5 В. Впрочем, у невидимого спектра эти значения шире.

По сути падение напряжения здесь – минимальное напряжение зажигания диода. При меньшем напряжении, у источника питания, тока не будет и диод просто не загорится. У мощных осветительных светодиодов падение напряжения может составлять десятки вольт, но это значит лишь, что внутри кристалла много последовательно-параллельных сборок диодов.

Но сейчас поговорим об индикаторных светодиодах, как наиболее простых. Их выпускают в различных корпусах, наиболее часто в полуокруглых, диаметром 3, 5, 10 мм.

Любой диод светится в зависимости от протекающего тока. По сути это токовый прибор. Падение напряжения получается автоматически. Ток мы задаем сами. Современные индикаторные диоды более-менее начинают светиться при токе 1 мА, а при 10 мА уже выжигают глаза. Для мощных осветительных диодов надо смотреть документацию.

Применение светодиода

Имея лишь соответствующий резистор можно задать нужный ток через диод. Конечно, понадобится еще и блок питания постоянного напряжения, например, батарейка 4,5 В или любой другой БП.

Например, зададим ток 1мА через красный светодиод с падением напряжения 1,8 В.

На схеме показаны узловые потенциалы, т.е. напряжения относительно нуля. В каком направлении включать светодиод нам подскажет лучше всего мультиметр в режиме прозвонки, поскольку иногда попадаются напрочь китайские светодиоды с перепутанными ногами. При касании щупов мультиметра, в правильном направлении, светодиод должен слабо светиться.

Поскольку применен красный светодиод, то на резисторе упадет 4,5 — 1,8 = 2,7В. Это известно по второму закону Кирхгофа: сумма падений напряжения на последовательных участках схемы равно ЭДС батарейки, т. е. 2,7 + 1,8 = 4,5В. Чтобы ограничить ток в 1мА, резистор по закону Ома должен обладать сопротивлением R = U / I = 2,7 / 0,001 = 2700 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и необходимый нам ток. Не забываем переводить величины в единицы СИ, в амперы и вольты. Поскольку выпускаемые номиналы сопротивлений стандартизованы выберем ближайший стандартный номинал 3,3кОм. Конечно, при этом ток изменится и его можно пересчитать по закону Ома I = U / R. Но зачастую это не принципиально.

В этом примере ток, отдаваемый батарейкой, мал, так что внутренним сопротивлением батареи можно пренебречь.

С осветительными светодиодами все тоже самое, только токи и напряжения выше. Но иногда им уже не требуется резистор, надо смотреть документацию.

Что-то еще про светодиод

По сути, светить – это основное назначение светодиода. Но есть и другое применение. Например, светодиод может выступать в качестве источника опорного напряжения. Они необходимы, например, для получения источников тока. В качестве источников опорного напряжения, как менее шумные, применяют красные светодиоды. Их включают в схему так же, как и в предыдущем примере. Поскольку напряжение батарейки относительно постоянное, ток через резистор и светодиод тоже постоянный, поэтому падение напряжения остается постоянным. От анода светодиода, где 1,8В, делается отвод и используется это опорное напряжение в других участках схемы.

Для более надежной стабилизации тока на светодиоде, при пульсирующем напряжении источника питания, вместо резистора в схему ставят источник тока. Но источники тока и источники опорного напряжения – это тема еще одной статьи. Возможно, когда-нибудь я ее напишу.

Стабилитрон

В английской литературе стабилитрон называется Zener diode. Все тоже самое, что и диод, в прямом включении. Но сейчас поговорим только про обратное включение. В обратном включении под действием определенного напряжения на стабилитроне возникает обратимый пробой, т.е. начинает течь ток. Этот пробой полностью штатный и рабочий режим стабилитрона, в отличие от диода, где при достижении номинального обратного напряжения диод просто выходил из строя. При этом, ток через стабилитрон в режиме пробоя может меняться, а падение напряжение на стабилитроне остается практически неизменным.

Что нам это дает? По сути это маломощный стабилизатор напряжения. Стабилитрон имеет все те же характеристики, что и диод, плюс добавляется так же напряжение стабилизации Uст или nominal zener voltage. Оно указывается при определенном токе стабилизации Iст или test current. Также в документации на стабилитроны указываются минимальный и максимальный ток стабилизации. При изменении тока от минимального до максимального, напряжение стабилизации несколько плавает, но незначительно. См. вольт-амперные характеристики.

Рабочая зона стабилитрона обозначена зеленым цветом. На рисунке видно, что напряжение на рабочей зоне практически неизменно, при широком диапазоне изменения тока через стабилитрон.

Чтобы выйти на рабочую зону, нам надо установить ток стабилитрона между [Iст. min – Iст. max] с помощью резистора точно так же, как это делалось в примере со светодиодом (кстати, можно также с помощью источника тока). Только, в отличие от светодиода, стабилитрон включен в обратном направлении.

При меньшем токе, чем Iст. min стабилитрон не откроется, а при большем, чем Iст. max – возникнет необратимый тепловой пробой, т.е. стабилитрон просто сгорит.

Расчёт стабилитрона

Рассмотрим на примере нашего рассчитанного трансформаторного БП. У нас есть блок питания, выдающий минимум 18 В (по сути там больше, из-за трансформатора 230/15 В, лучше мерить в реальной схеме, но суть сейчас не в этом), способный отдавать ток 1 А. Нужно запитать нагрузку с максимальным потреблением 50 мА стабилизированным напряжением 15 В (например, пусть это будет какой-нибудь абстрактный операционный усилитель – ОУ, у них примерно такое потребление).

Такая слабая нагрузка выбрана неспроста. Стабилитроны довольно маломощные стабилизаторы. Они должны проектироваться так, чтобы через них мог проходить без перегрева весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации Iст. min. Это необходимо, потому что ток после резистора R1 делится между стабилитроном и нагрузкой. В нагрузке ток может быть непостоянным, либо нагрузка может выключаться из схемы совсем. По сути это параллельный стабилизатор, т.е. весь ток, который не уйдет в нагрузку, примет на себя стабилитрон. Это как первый закон Кирхгофа I = I1 + I2, только здесь I = Iнагр + Iст. min.

Итак, выберем стабилитрон с напряжением стабилизации 15 В. Для установки тока через стабилитрон всегда необходим резистор (или источник тока). На резисторе R1 упадет 18 – 15 = 3 В. Через резистор R1 будет протекать ток Iнагр. + Iст. min. Примем Iст. min = 5 мА, это примерно достаточный ток для всех стабилитронов с напряжением стабилизации до 100 В. Выше 100 В можно принимать 1мА и меньше. Можно взять Iст. min и больше, но это только будет бесполезно греть стабилитрон.

Итак, через R1 течет Ir1 = Iнагр. + Iст. min = 50 + 5 = 55 мА. По закону Ома находим сопротивление R1 = U / I = 3 / 0,055 = 54,5 Ом, где U и I – напряжение на резисторе и ток через резистор. Выберем из ближайшего стандартного ряда сопротивление 47 Ом, будет чуть больше ток через стабилитрон, но ничего страшного. Его даже можно посчитать, общий ток: Ir1 = U / R = 3 / 47 = 0,063А, далее минимальный ток стабилитрона: 63 — 50 = 13 мА. Мощность резистора R1: P = U * I = 3 * 0,063 = 0,189 Вт. Выберем стандартный резистор на 0,5 Вт. Советую, кстати, не превышать мощность резисторов примерно Pmax/2, дольше проживут.

На стабилитроне тоже рассеивается мощность в виде тепла, при этом в самом худшем случае она будет равна P = Uст * (Iнагр + Iст.) = 15 * (0,050 + 0,013) = 0,945 Вт. Стабилитроны выпускают на разную мощность, ближайшая 1Вт, но тогда температура корпуса при потреблении около 1Вт будет где-то 125 градусов С, лучше взять с запасом, на 3 Вт. Стабилитроны выпускают на 0,25, 0,5, 1, 3, 5 Вт и т.д.

Первый же запрос в гугле «стабилитрон 3Вт 15В» выдал 1N5929BG. Далее ищем «datasheet 1N5929BG». По даташиту у него минимальный ток стабилизации 0,25 мА, что меньше 13 мА, а максимальный ток 100 мА, что больше 63 мА, т.е. укладывается в его рабочий режим, поэтому он нам подходит.

В общем-то, это весь расчёт. Да, стабилизатор это неидеальный, внутреннее сопротивление у него не нулевое, но он простой и дешевый и работает гарантировано в указанном диапазоне токов. А также поскольку это параллельный стабилизатор, то ток блока питания будет постоянным. Более мощные стабилизаторы можно получить, умощнив стабилитрон транзистором, но это уже тема следующей статьи, про транзисторы.

Проверить стабилитрон на пробой обычным мультиметром, как правило, нельзя. При более-менее высоковольтном стабилитроне просто не хватит напряжения на щупах. Единственное, что удастся сделать, это прозвонить его на наличие обычной диодной проводимости в прямом направлении. Но это косвенно гарантирует работоспособность прибора.

Еще стабилитроны можно использовать как источники опорного напряжения, но они шумные. Для этих целей выпускают специальные малошумящие стабилитроны, но их цена в моем понимании зашкаливает за кусочек кремния, лучше немного добавить и купить интегральный источник с лучшими параметрами.

Также существует много полупроводниковых приборов, похожих на диод: тиристор (управляемый диод), симистор (симметричный тиристор), динистор (открываемый импульсно только по достижении определенного напряжения), варикап (с изменяемой емкостью), что-то еще. Первые вам понадобятся в силовой электронике при постройки управляемых выпрямителей или регуляторов активной нагрузки. А с последними я уже лет 10 не сталкивался, поэтому оставляю эту тему для самостоятельного чтения в вики, хотя бы про тиристор.

Стабилитрон

Стабилитрон — это диод с рп-переходом, который характеризуется точ­но определенной величиной напряжения пробоя. В отличие от обычного диода стабилитрон работает в области обратной вольтамперной характе­ристики (рис. 27.1). В прямом направлении стабилитрон ведет себя как обычный диод. При обратном смещении перехода ток через стабилитрон практически отсутствует, пока величина обратного напряжения остается меньше величины напряжения туннельного пробоя V_Z, обычно называе­мого напряжением стабилизации. Как только обратное напряжение до­стигает величины напряжения туннельного пробоя, стабилитрон начина­ет проводить ток. В области пробоя падение напряжения на стабилитроне практически не изменяется при очень больших изменениях тока. Стаби­литрон является полупроводниковым эквивалентом хорошо известного газотрона. Стабилитроны применяются для параллельной стабилизации и в качестве источников опорного напряжения (см. гл. 29).

Рис. 27.1. Прямая и обратная вольтамперные характеристики стабилитрона.

 Переключательный диод

Переключательный диод, или динистор, состоит из четырех чередующих из слоев полупроводниковых материалов, как показано на рис. 27.2. Когда такой диод смещен в прямом направлении, через него течет очень малый ток, пока не достигается область пробоя (рис. 27.3). При напря­жениях, меньших напряжения пробоя, динистор можно рассматривать, как ключ в положении ВЫКЛЮЧЕНО, а при напряжениях, больших на­пряжения пробоя, — как ключ в положении ВКЛЮЧЕНО.

Рис. 27.2. Переключательный диод,

Рис. 27.3. Вольтамперная характе­ристика переключательного диода.

Однооперационный триодный тиристор (SCR)

Управляемый выпрямитель, или однооперационный триодный тири­стор, — еще один прибор с четырехслойной рпрп-структурой. В отличие от переключательного диода тиристор имеет третий вывод, называемый управляющим электродом (рис. 27.4). Величину критического напряже­ния пробоя можно теперь варьировать, изменяя потенциал управляю­щего электрода. На рис. 27.5 показаны вольтамперные характеристи­ки тиристора для двух различных значений тока в цепи управляющего электрода. При нулевом токе (когда потенциал управляющего электрода равен нулю) напряжение включения тиристора равно V₁. Если теперь на управляющий электрод подать положительный по отношению к ка­тоду потенциал, вызывающий протекание тока I_g1 в цепи управляющего электрода, то включение будет происходить при меньшем напряжении V₂. После перевода тиристора в проводящее состояние потенциал управляю­щего электрода не оказывает уже никакого влияния на ток тиристора. Тиристор можно выключить только путем уменьшения потенциала анода ниже уровня потенциала катода.

Рис. 27.4. Однооперационный триодный тиристор: условное обозначение

 и внешний вид прибора.

Рис. 27.5. Вольтамперные характеристики тиристора.

Триодные тиристоры находят широкое применение, поскольку они обладают высоким быстродействием и переключаются при подаче очень малого тока (т. е. очень малой мощности) в цепь управляющего электрода, коммутируя при этом токи порядка нескольких ампер.

Они очень часто используются для выпрямления тока и управления мощностью. Тиристор включается только во время положительного (или отрицательного) полупериодов синусоидального тока, вырабатывая пульсирующий ток одного направления. Управление мощностью осуществляется путем переключения тиристора в проводящее состояние на больший или меньший промежуток времени (см. гл. 29).

На рис. 27.6 показан тиристор, переключаемый последовательностью импульсов. Тиристор включается положительным фронтом каждого пульса и остается в проводящем состоянии, пока входное напряжение не упадет до нуля. Форма результирующего выходного напряжения повто­ряет часть положительного полупериода входного сигнала.

Рис. 27.6. Импульсное управление триодным тиристором (SCR).

На рис. 27.7 приведена схема переключения тиристора с помощью пе­ременного резистора R₁, управляющего моментом переключения. Пере­ключение осуществляется самим входным сигналом. При установке ми­нимального значения сопротивления резистора R₁ переключение проис­ходит в самом начале полупериода входного напряжения, как показано на рис. 27.7(а). По мере увеличения сопротивления переключение про­исходит все позже и позже, поскольку амплитуда сигнала, подаваемо­го на управляющий электрод, становится меньше. При максимальном сопротивлении резистора R₁ тиристор переключается непосредственно перед моментом достижения входным напряжением пикового значения (рис.27.7(б)). Заметим, что в рассматриваемой схеме тиристор можно переключить в проводящее состояние только в первой половине положительного полупериода, то есть до момента появления пикового напряжения на управляющем электроде. Если максимум пройден, переключение тиристора станет невозможным и выходное напряжение будет равно нулю.

Рис. 27.7. Тиристорный выпрямитель.

Для переключения тиристора во второй половине положительного по­лупериода, т. е. после прохождения положительного максимума, исполь­зуется фазосдвигающая цепь. В схеме на рис. 27.8 эту функцию выпол­няют конденсатор С и резистор R₁. Напряжение, подаваемое на упра­вляющий электрод, имеет временную задержку (сдвигается по фазе от­носительно входного напряжения), как показано на рис. 27.8(б). Как уже говорилось, тиристор может переключиться только до момента прихода положительного максимума сигнала на управляющий электрод. Но в результате фазового сдвига к тому моменту времени, когда этот положи­тельный максимум попадет на управляющий электрод, положительный максимум входного напряжения будет уже пройден. Таким образом, с помощью фазосдвигающей цепи тиристор можно переключить в проводя­щее состояние и во второй половине положительного полупериода вход­ного напряжения (рис. 27.8(в)).

Рис. 27.8. Тиристорный выпрямитель с фазосдвигающей цепью R₁C 

Обнаружено, что диод с обратносмещенным рп-переходом имеет неболь­шую емкость, которая изменяется при изменении обратного напряжения, прикладываемого к переходу. Этот факт используется в технологии ин­тегральных схем для формирования конденсаторов внутри кремниевой пластины.

Обратносмещенные диоды, применяемые как конденсаторы перемен­ной емкости, называются варикапами или варакторами (рис. 27.9). По­мимо многих других применений варикапы используются в системах ав­томатической подстройки частоты и в программируемых измерительных Приборах. Хорошо известный метод электронной настройки также связан с применением варикапов в качестве подстроенных конденсаторов.

По сравнению с обычными конденсаторами переменной емкости вари­капы имеют меньшие размеры, большую чувствительность и очень высокую стабильность и надежность.

Рис. 27.9. Варикап.

                                                 Рис. 27.10. Однопереходный транзистор р-типа. (а) Условное обозна­чение. (б) Вольтамперная характе­ристика.

Однопереходный транзистор

Однопереходный транзистор — это прибор с отрицательным сопротивле­нием (в определенных условиях уменьшение напряжения сопровожда­ется увеличением тока). На рис. 27.10 показаны условное обозначение и вольт-амперная характеристика однопереходного транзистора р-типа. Как только напряжение на эмиттере достигнет величины, достаточной для прямого смещения рта-перехода между эмиттером и базой b₁, от эмит­тера начинает течь ток. При этом падение напряжения на переходе па­дает до малой величины (приблизительно 0,6 В). Такие однопереходные транзисторы часто используются в качестве генераторов (см. схему на рис. 33.8) и для целей коммутации.

Симметричный диодный тиристор

Симметричный диодный тиристор — это еще один переключательный прибор с двумя выводами T₁ и T₂, как показано на рис. 27.11. При увеличении разности потенциалов между этими выводами независимо от полярности происходит пробой — включение. Симметричный диодный тиристор может проводить в обоих направлениях, и поэтому его также на­зывают двунаправленным диодом. Когда происходит включение, напря­жениена этом приборе падает до нескольких вольт. Напряжение вклю­чения находится в диапазоне   30-50 В. Симметричные диодные тиристоры используются как переключающие элементы, например для управления однооперационными триодными тиристорами.

Рис. 27.11. Симметричный диодный тиристор.

(а) Условное обозначение. (б) Внешний вид.

Рис. 27.12. Симметричный триодный тиристор.

(а) Условное обозна­чение. (б) Внешний вид.

Симметричный триодный тиристор

Симметричный триодный тиристор, или симистор, (рис. 27.12) — еще один двунаправленный диод с дополнительным выводом управляющего элек­трода. Пробой происходит, когда напряжение между выводами T₁ и T₂ (любой полярности) достигает определенного уровня.

Симистор можно переключить в проводящее состояние путем подачи на управляющий электрод сигнала, который может быть или положи­тельным, или отрицательным по отношению к выводам T₁или T₂. Симисторы также используются как переключающие элементы, например, для управления однооперационными триодными тиристорами.

Интегральные схемы

Прогресс технологии привел к улучшению надежности электронных устройств, а также к снижению их стоимости и размеров. Микроэлек­тронные схемы представляют собой миниатюрный ансамбль большого чи­сла электронных компонентов, как пассивных, так и активных.

Существует два типа микросхем: пленочные схемы и монолитные ин­тегральные схемы. Пленочные микросхемы подразделяются в свою оче­редь на тонкопленочные и толстопленочные схемы. Оба типа пленочных схем изготавливаются путем нанесения пленок специальной резистивной пасты на изолирующую подложку. Они применяются главным образом как резисторные схемы, но могут использоваться также для формирова­ния малогабаритных конденсаторов и катушек индуктивности.

Монолитные интегральные схемы, обычно называемые просто инте­гральными схемами (ИС), формируются в диске из кремния р-типа, или чипе. Кремниевый чип представляет собой очень тонкую пластину (толщиной 0.02 см) с площадью поверхности, эквивалентной площади поперечного сечения очень тонкого карандаша (приблизительно 26 мм²). Чип выполняет функцию подложки, в которой формируются различные электронные компоненты с помощью процесса, называемого диффузией. Интегральные схемы могут содержать большое число активных элементов: транзисторов, диодов и т. п., а также резисторов и конденсаторов. Тех­нология ИС большой степени интеграции (больших ИС, или БИС) по­зволяет создать на одном чипе целую электронную систему, например дешифратор или микропроцессор.

Хотя интегральные схемы являются твердотельными, т. е. механиче­ски прочными приборами, но как электронные схемы это весьма «дели­катные» устройства, требующие аккуратного обращения. Ниже перечи­слены меры предосторожности, которые нужно соблюдать при замене ИС.

1. ИС следует держать за корпус, избегая прикасания к выводам. В про­тивном случае на выводах могут появиться грязь и жир, что приводит к ухудшению электрического контакта.

2. При пайке ИС исключительное внимание должно уделяться отводу тепла, чтобы избежать перегрева микросхемы. Перегрев приводит к быстрому разрушению большинства ИС.

3. Напряжение питания должно соответствовать паспортному значению для данной микросхемы. Для питания большинства ИС нужен источ­ник питания с высокой степенью стабильности выходного напряже­ния. Это особенно важно для цифровых применений.

4. Мощность рассеяния для большинства ИС, исключая интегральные усилители мощности, очень мала. Поэтому необходимо исключить любые перегрузки, так как они могут вызвать превышение паспортной мощности рассеяния, перегрев и повреждение ИС.

5. При проведении измерений необходимо соблюдать меры предосторож­ности, чтобы не вызвать короткого замыкания соседних выводов ми­кросхемы. Следует использовать измерительные зонды специальной формы.

6. Если ИС МОП-типа не используется, все ее выводы должны бытьзакорочены между собой. Это следует делать независимо от того, лежит ли ИС на полке или упаковывается для транспортировки.

В этом видео рассказывается о стабилитронах:

Добавить комментарий

TVS-лампа, стабилитрон, диод Шоттки — Русские Блоги

TVS-лампа, стабилитрон, диод Шоттки

1.1 TVS
TVS (ограничитель переходного напряжения), также известный как диод подавления переходных процессов, представляет собой новый тип широко используемых высокоэффективных устройств защиты цепей, он имеет очень быстрое время отклика (уровень субнаносекунд ) И довольно высокая способность поглощения перенапряжения. Когда два его конца подвергаются мгновенному удару с высокой энергией, TVS может изменять значение импеданса между двумя концами с высокого до низкого импеданса на очень высокой скорости, чтобы поглотить мгновенный большой ток и ограничить напряжение между двумя своими концами. Заранее установленное значение для защиты следующих компонентов схемы от воздействия кратковременных скачков высокого напряжения.

1.2 Schottky
Диод Шоттки назван в честь своего изобретателя доктора Шоттки. SBD — это аббревиатура от Schottky Barrier Diode (диод с барьером Шоттки, сокращенно SBD). SBD создается не с использованием принципа формирования PN-перехода между полупроводником P-типа и полупроводником N-типа, а с использованием принципа перехода металл-полупроводник, образованного контактом между металлом и полупроводником. Поэтому SBD также называют диодом металл-полупроводник (контактным) или диодом с поверхностным барьером, который является диодом с горячими носителями.

1.3 Zener
Стабилитрон, английское название Zener diode, также называемый стабилитроном. Используя состояние обратного пробоя pn перехода, ток можно изменять в большом диапазоне, в то время как напряжение в основном не изменяется, и создается диод с эффектом стабилизации напряжения. Этот диод представляет собой полупроводниковое устройство, которое имеет высокое сопротивление до критического напряжения обратного пробоя.В этой критической точке пробоя обратное сопротивление уменьшается до очень небольшого значения, а ток увеличивается в этой области с низким сопротивлением. напряжение остается постоянным, и диод Зенера делится в зависимости от напряжения пробоя. из-за этой характеристики, диод Зенера в основном используется в качестве регулятора напряжения или опорного напряжения компонента. Стабилитроны можно подключать последовательно для использования при более высоких напряжениях, а более стабильные напряжения можно получить, подключив их последовательно.

1.4 Разница между лампой TVS, стабилитроном и диодом Шоттки
Проще говоря, TVS управляет мгновенным большим напряжением схемы защиты пользователя, и схема может разрядить большой ток через TVS для защиты цепи, что эквивалентно предохранителю цепи. Спусковой механизм обратного пробоя.
Стабилитрон всегда работает в состоянии обратного пробоя, когда он работает нормально. Используя характеристики состояния обратного пробоя, напряжение можно стабилизировать при значительных изменениях тока.
Диоды Шоттки в основном используются в качестве диодов свободного хода (обычно используются вместе с устройствами накопления энергии для разряда устройств накопления энергии), диодов выпрямителя и т. д.
2. Основные характеристики

2.1 TVS
В указанных условиях обратного применения, когда он подвергается воздействию импульса мгновенного перенапряжения высокой энергии, его рабочий импеданс может быть немедленно уменьшен до очень низкого значения проводимости, что позволяет пропускать большие токи, И зафиксируйте напряжение до заданного уровня, чтобы эффективно защитить прецизионные компоненты электронной схемы от повреждений.
TVS может выдерживать мгновенную импульсную мощность до киловатт, а время срабатывания фиксатора составляет всего 1 пс (10 ^ -12 с).
Допустимый прямой импульсный ток TVS может достигать 50 ～ 200A при условии T = 25 ℃ и T = 10 мс.
Двунаправленный TVS может мгновенно поглощать большую импульсную мощность как в положительном, так и в отрицательном направлении и ограничивать напряжение до заданного уровня. Двунаправленный TVS подходит для цепей переменного тока, а однонаправленный TVS обычно используется для цепей постоянного тока.
Характеристики VI однонаправленных TVS, прямые характеристики однонаправленных TVS такие же, как у обычных стабилитронов, а точка перегиба обратного пробоя приблизительно «под прямым углом» для жесткого пробоя, что является типичным PN-переходом. Лавинное устройство.
Характеристика VI двусторонней TVS, характеристика VI двусторонней TVS похожа на комбинацию «спина к спине» двух односторонних TVS, которые имеют одинаковые характеристики лавинного разрушения и зажимают в обоих направлениях. Характеристики, симметричное соотношение напряжения пробоя с обеих сторон: 0,9≤V (BR) (положительный) / V (BR) (обратный) ≤1,1, как только напряжение помех, приложенное к обоим концам, превысит напряжение ограничения Vc, оно будет немедленно Подавленный, двусторонний TVS очень удобен для приложений контура переменного тока.


Общие параметры и инструкции по выбору:
Напряжение пробоя V (BR) В области, где устройство выходит из строя, при заданном испытательном токе I (BR) измеренное напряжение на устройстве называется напряжением пробоя. В этой области диод превращается в путь с низким сопротивлением.
Максимальный импульсный импульсный ток в обратном направлении IPP, максимальный импульсный импульсный ток, разрешенный устройством при заданных импульсных условиях во время обратного хода. Произведение IPP и максимального напряжения ограничения Vc (MAX) является максимальным значением переходной импульсной мощности. Примечание: TVS следует выбирать правильно при использовании, чтобы номинальная импульсная мощность PPR в переходных процессах была больше, чем максимальная импульсная мощность в переходных процессах, которая может возникнуть в защищаемом устройстве или линии.
Максимальное обратное рабочее напряжение VRWM (или напряжение смещения) Когда устройство работает в обратном направлении, при указанном IR, напряжение на устройстве называется максимальным обратным рабочим напряжением VRWM. Обычно VRWM = (0,8 ~ 0,9) В (BR). Примечание: при таком напряжении потребляемая мощность устройства очень мала. При использовании VRWM не должно быть ниже нормального рабочего напряжения защищаемого устройства или цепи.
Максимальное напряжение ограничения Vc (max) Максимальное напряжение на обоих концах устройства под действием импульсного пикового тока Ipp называется максимальным напряжением ограничения. Примечание: при использовании сделайте Vc (max) не выше максимально допустимого безопасного напряжения защищаемого устройства.
Пиковая мощность обратного импульса PPR TVS PPR зависит от максимального тока импульса IPP и максимального напряжения ограничения Vc (max). Кроме того, это также связано с формой импульса, продолжительностью импульса и температурой окружающей среды. .
По полярности его можно разделить на: однополярное и биполярное; по назначению можно разделить на: общее и специальное; по корпусу и внутренней структуре его можно разделить на: осевое Выводные диоды, двойные линейные массивы TVS, SMD и высокомощные модули и т. Д.

2.2 Schottky
SBD имеет преимущества высокой частоты переключения и пониженного прямого напряжения, но его обратное напряжение пробоя относительно низкое, в основном не выше 60 В, а максимальное составляет всего около 100 В, что ограничивает диапазон его применения. . Диод Шоттки — это диод, основанный на барьере, образованном контактом между металлом и полупроводником, называемый барьерным диодом Шоттки (SBD), с прямым падением напряжения (0,4-0,5 В) и коротким временем обратного восстановления. (10-40 наносекунд), и обратный ток утечки велик, выдерживаемое напряжение низкое, обычно менее 150 В, и в основном используется в случаях низкого напряжения. Его выдерживаемое напряжение часто низкое, но его скорость восстановления быстрая. Он в основном используется в качестве высокочастотных, низковольтных, сильноточных выпрямительных диодов, диодов свободного хода, защитных диодов, а также полезен в качестве выпрямительных диодов и диодов для детекторов малых сигналов в таких схемах, как микроволновая связь. использовать. Это чаще встречается в источниках питания связи, инверторах и т. Д. Поскольку SBD более подвержен тепловому пробою, чем диод с PN-переходом, обратный ток утечки больше, чем у диодов с PN-переходом.

Наиболее примечательной особенностью является то, что время обратного восстановления чрезвычайно короткое (может составлять всего несколько наносекунд), а прямое падение напряжения составляет всего около 0,4 В.
Он в основном используется в качестве высокочастотных, низковольтных, сильноточных выпрямительных диодов, обратных диодов, защитных диодов, а также используется в качестве выпрямительных диодов и диодов для обнаружения слабого сигнала в СВЧ-коммуникациях и других схемах.

2.3 Zener
Прямая характеристика вольт-амперной характеристики стабилитрона аналогична характеристике обычного диода. Когда обратное напряжение приближается к критическому значению обратного напряжения, обратный ток внезапно увеличивается, что называется ударом В этой критической точке пробоя обратное сопротивление внезапно падает до очень небольшого значения. Хотя ток изменяется в большом диапазоне, напряжение на диоде в основном стабильно вблизи напряжения пробоя, тем самым реализуя функцию стабилизации напряжения диода.
Стабилитрон в основном используется для стабилизации напряжения. Особенность стабилитрона в том, что после пробоя напряжение на обоих концах практически не меняется.
Таким образом, когда трубка регулятора напряжения подключена к цепи, если напряжение в каждой точке схемы колеблется из-за колебаний напряжения источника питания или по другим причинам, напряжение на нагрузке в основном останется неизменным. .

Основные параметры

Uz — стабильное напряжение
относится к стабильному значению напряжения, генерируемому на обоих концах трубки Зенера при прохождении номинального тока. Это значение немного зависит от рабочего тока и температуры. Из-за различий в производственном процессе величина стабилизации напряжения у стабилитронов одного и того же типа не полностью одинакова. Например, Vzmin стабилитрона 2CW51 составляет 3,0 В, а Vzmax — 3,6 В.
Iz — номинальный ток
относится к значению тока через трубку Зенера, когда она генерирует стабильное напряжение. Когда значение ниже этого значения, хотя трубка регулятора напряжения не способна стабилизировать напряжение, эффект регулирования напряжения будет хуже; когда значение выше этого значения, при условии, что номинальные потери мощности не превышены, это также допускается, и характеристики регулирования напряжения будут лучше, но Потребляйте больше энергии.
Rz — динамическое сопротивление.
относится к отношению изменения напряжения на обоих концах трубки регулятора к изменению тока. Соотношение зависит от рабочего тока. Обычно, чем больше рабочий ток, тем меньше динамическое сопротивление. Например, когда рабочий ток стабилитрона 2CW7C составляет 5 мА, Rz составляет 18 Ом; когда рабочий ток 10 мА, Rz составляет 8 Ом; когда он равен 20 мА, Rz составляет 2 Ом;> 20 мА в основном поддерживает это значение.
Pz — номинальная потребляемая мощность.
определяется допустимым превышением температуры микросхемы, и его значение является произведением стабильного напряжения Vz и максимально допустимого тока Izm. Например, если Vz лампы стабилитрона 2CW51 составляет 3 В, а Izm — 20 мА, то Pz трубки составляет 60 мВт.
α — температурный коэффициент.
Если температура трубки Зенера изменяется, ее стабильное напряжение также немного изменится. Относительное изменение напряжения на трубке, вызванное изменением температуры на 1 ° C, является температурным коэффициентом.
Вообще говоря, значение регулирования напряжения ниже 6 В относится к пробою Зенера, а температурный коэффициент отрицательный; выше 6 В относится к лавинному пробою, а температурный коэффициент положительный. Вот почему регулятор напряжения с напряжением 15 В постепенно увеличивается с температурой, а регулятор напряжения с напряжением 5 В постепенно уменьшается с температурой.
IR — обратный ток утечки
относится к току утечки, создаваемому стабилитроном при заданном обратном напряжении. Например, когда VR = 1 В трубки регулятора напряжения 2CW58, IR = 0,1 мкА; когда VR = 6 В, IR = 10 мкА.

2.4 Обычный кремниевый диод:
Выдерживаемое напряжение обычных кремниевых диодов может быть увеличено, но его скорость восстановления мала и может использоваться только для низкочастотного выпрямления. Если оно высокочастотное, оно не сможет быстро восстановиться. Произошла обратная утечка, что в конечном итоге привело к серьезному нагреву и возгоранию трубы;

2.5 Разница между трубкой TVS и трубкой регулятора напряжения:
TVS (диод подавления переходных процессов) будет включаться и закрываться мгновенно после превышения его выдерживаемого напряжения. Скорость отклика находится на уровне нс. Он в основном используется для подавления мгновенных скачков напряжения и уменьшения воздействия скачков напряжения. Потеря компонентов.
Трубка регулятора напряжения является регулятором напряжения. Если она превышает значение регулирования напряжения, пока мощность не превышает допустимое значение, она будет стабилизироваться в пределах диапазона значений регулирования напряжения.
Двунаправленный пробойный диод, также называемый диодом подавления переходных напряжений (TVS), представляет собой устройство защиты от перенапряжения с характеристиками двунаправленного регулирования напряжения и двунаправленными характеристиками отрицательного сопротивления, аналогичное варистору. . Он используется в различных цепях питания переменного и постоянного тока для подавления мгновенных перенапряжений. Когда импульсное импульсное напряжение появляется в защищенной цепи мгновенно, двунаправленный пробойный диод может быстро выйти из строя стабилитрон, переходя из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением, шунтируя и ограничивая импульсное напряжение, тем самым защищая компоненты в цепи. Повреждено мгновенным скачком импульсного напряжения.

Диод стабилизатора напряжения в основном играет роль стабилизации напряжения в цепи, и его необходимо перевернуть, чтобы вызвать обратный пробой, и напряжение на нагрузке в основном останется неизменным. Трубка TVS представляет собой диод подавления переходных процессов.Его схемное обозначение такое же, как у обычного диода Зенера, а форма не отличается от обычного диода.Когда оба конца трубки TVS подвергаются кратковременному воздействию высокой энергии, она может достигать чрезвычайно высокой скорости (до 1 / (10 ^ 12) секунд), чтобы его импеданс внезапно упал и в то же время поглотил большой ток, зафиксируйте напряжение между его двумя концами до заданного значения, чтобы гарантировать, что следующие компоненты схемы защищены от кратковременного воздействия высокой энергии И поврежден. И TVS, и стабилитроны могут использоваться для стабилизации напряжения, но ток пробоя стабилитрона меньше.Напряжение стабилизации напряжения выше 10 В составляет всего 1 мА, что относительно больше, чем ток пробоя стабилитрона. Точность регулирования напряжения на диоде может быть относительно высокой.
можно визуально понять так: можно понять, что обычная трубка регулятора напряжения представляет собой небольшую пружину, которую можно использовать на небольших точных приборах; трубка TVS представляет собой большую пружину, которую можно использовать на тяжелой технике. Обычная трубка регулятора напряжения предназначена для получения стабильного напряжения в сложной цепи, тогда как трубка TVS ориентирована на защиту цепи, которая имеет вкус предохранителя.

2.6 Разница между диодом Шоттки и стабилитроном
Чтобы понять разницу между диодами Шоттки и стабилитронами, мы должны сначала понять, что такое стабилитрон?
Обычно диоды имеют прямую проводимость и обратную отсечку; если обратное напряжение, приложенное к диоду, превышает емкость диода, диод выйдет из строя. Но есть своего рода диод, прямые характеристики которого такие же, как у обычных диодов, но обратные характеристики более особенные: когда обратное напряжение увеличивается до определенного уровня, хотя трубка находится в состоянии пробоя, через нее проходит больший ток, но она не повреждена, и Воспроизводимость этого явления очень хорошая; пока трубка находится в состоянии пробоя, хотя электричество, протекающее через трубку, сильно изменяется, напряжение на трубке изменяется очень мало, чтобы стабилизировать его. Этот специальный диод называется стабилитроном.

В чем разница между диодом Шоттки и стабилитроном?
Напряжение прямой проводимости диода Шоттки очень низкое, всего 0,4 В, а обратное не будет проводить до напряжения пробоя, которое играет роль переключателя с быстрым откликом. Прямое напряжение стабилитрона составляет около 0,7 В, как и у обычных диодов. В обратном состоянии он отключается до достижения критического напряжения. Когда критическое напряжение достигается, он будет в проводящем состоянии, и напряжение больше не будет увеличиваться. Поэтому он используется в важных компонентах для стабилизации напряжения.

Диоды Шоттки имеют небольшое прямое падение напряжения и быструю скорость выключения и в основном используются для импульсных источников питания для выпрямления. Независимо от прямого использования стабилитрона, он всегда используется в обратном направлении в состоянии пробоя. Необходимо учитывать значение стабилизации напряжения, температурный коэффициент, рассеиваемую мощность и т. Д. Таким образом, диоды Шоттки полностью отличаются от стабилитронов.Диоды Шоттки используются для переключения, характеризуются низким напряжением прямой проводимости и могут работать в высокочастотных коммутационных ситуациях. Диод стабилизатора напряжения играет роль стабилизации напряжения, и большинство приложений подключены параллельно на двух концах источника питания и устройства IC, чтобы предотвратить перенапряжение и играть защитную роль.

2.7 Условные обозначения различных диодов

Стабилитрон — что это такое, как работает и это история

Что такое диод и как он работает?

Диод — это компонент схемы, который позволяет току течь только в одном направлении. Диоды бывают разных размеров и обычно имеют черный цилиндрический корпус с двумя выводами, идущими по бокам (анод и катод), и полосой на конце катода. Диоды похожи на улицы с односторонним движением. Ток может двигаться только от конца катода к концу анода через диод.Это происходит потому, что диод предотвращает протекание тока в противоположном направлении от анодной стороны. Диод смещен в обратном направлении, когда он действует как изолятор, и смещен в прямом направлении, когда он пропускает ток. Анод и катод диода — это два его вывода. Диоды используются в цепях для ограничения напряжения и преобразования переменного тока в постоянный. Полупроводники, такие как кремний и германий, используются для получения максимальной отдачи от диодов. Несмотря на то, что они оба передают власть в одном направлении, они делают это по-разному.Диоды бывают разных форм и размеров, каждый со своим набором приложений, таких как стабилитроны. Переключатели, модуляторы сигналов, смесители сигналов, выпрямители, ограничители сигналов, регуляторы напряжения и т. Д. — все это примеры применения диодов.

Чем стабилитрон отличается от обычного диода?

— это один из диодов, используемых для определенных целей. За исключением одного ключевого различия, стабилитроны работают так же, как обычные диоды. Напряжение обратного пробоя стабилитронов известно как «напряжение стабилитрона».Это означает, что стабилитроны могут только остановить прохождение тока через цепь до определенного напряжения. Если напряжение обратного пробоя стабилитрона составляет 10 В, а ток составляет всего 5 В, стабилитрон блокирует прохождение тока. В другом сценарии, если ток в цепи составляет 11 В, стабилитрон пропускает ток.

Какая точка диода проводит в обоих направлениях? вы можете задаться вопросом. Стабилитрон пригодится при создании стабилизаторов напряжения, схем защиты от перенапряжения и других схем.Его можно использовать для перемещения частичного протекания тока в другом направлении в цепи. Конструкция стабилитронов также отличается от конструкции обычных диодов. Эти диоды изготавливаются из сильно легированных полупроводников N и P-типа с различным количеством легирования для достижения различных напряжений пробоя. В результате разные уровни напряжения стабилитронов имеют разную емкость напряжения.

Таким образом, стабилитроны предназначены для использования в режиме обратного смещения с низким постоянным напряжением пробоя или стабилитроном.Они начинают проводить значительные обратные токи. Стабилитрон может работать как регулятор напряжения, работая как вспомогательная нагрузка, отбирая больший ток от источника, когда напряжение слишком высокое, и меньший ток, когда напряжение слишком низкое.

Ранняя история стабилитрона

Кларенс Мелвин Зинер был первым, кто описал преимущества этого диода. Кларенс Зинер был профессором факультета физики Университета Карнеги-Меллона.Его исследовательские интересы были в области физики твердого тела. Он окончил Стэнфордский университет в 1926 году и получил докторскую степень в том же институте в 1929 году. В 1950 году он изобрел стабилитрон, который сейчас используется в современных компьютерных схемах. В 1934 году Кларенс Зенер опубликовал статью о пробое электрического изолятора. Он был известен во всем мире как пионер в области науки, называемой «внутреннее трение», которая была в центре большинства его исследований.

Как защитить вашу схему от повреждения при перенапряжении с помощью стабилитрона?

Вы можете столкнуться с неизвестными или загадочными сбоями в своих проектах при использовании в цепи двигателей, чувствительных к напряжению, или других компонентов.Компоненты, чувствительные к напряжению, иногда могут гореть, потому что они просто не могут справиться с величиной напряжения в токе. Давайте посмотрим на схемы. Схема 1 имеет источник питания 12 В с обратным смещением стабилитрона. Напряжение стабилитрона 10 Вольт; Следовательно, напряжение пробоя было превышено источником питания 12 В и не допускает превышения напряжения более 10 Вольт на вольтметре. Если мы увеличим напряжение источника питания до 90 В, как показано на схеме 2, то стабилитрон все равно позволит току проходить мимо него. Однако ток, который идет на вольтметр, по-прежнему составляет около 10 вольт. Следовательно, стабилитрон можно использовать для создания стабилизатора напряжения, использующего эту логику в схеме.

Характеристики стабилитронов

Номинальное напряжение, рассеиваемая мощность, прямой ток возбуждения, прямое напряжение, тип упаковки и максимальный обратный ток — это атрибуты, которые используются для классификации различных стабилитронов. Давайте познакомимся с некоторыми из этих атрибутов.

Номинальное напряжение

Напряжение пробоя стабилитрона также называется номинальным рабочим напряжением.Это один из важных параметров при выборе стабилитрона.

Рассеиваемая мощность

Наибольшее количество энергии, которое может разрядить ток Зенера, представлено этим значением. Превышение этой номинальной мощности приводит к перегреву стабилитрона, потенциально повреждая его и вызывая выход из строя компонентов, подключенных к нему в цепи. В результате при выборе диода для конкретного применения следует учитывать этот элемент.

Максимальный ток стабилитрона

При напряжении стабилитрона это максимальный ток, который может пройти через стабилитрон, не повредив его.

Минимальный ток стабилитрона

Это минимальный ток, необходимый стабилитрону для входа в зону пробоя и начала работы.

Другие параметры, которые действуют как спецификации диодов, должны быть тщательно изучены, прежде чем принимать решение о типе стабилитрона, необходимого для какой-либо конкретной конструкции.

Магазин переменных резисторов

Ознакомьтесь с другими статьями из нашего блога

Что такое стабилитроны? | Диоды и выпрямители

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это особый тип выпрямительного диода, который может выдерживать пробой из-за обратного напряжения пробоя без полного выхода из строя.Здесь мы обсудим концепцию использования диодов для регулирования падения напряжения и то, как стабилитрон работает в режиме обратного смещения для регулирования напряжения в цепи.

Как диоды регулируют падение напряжения

Если мы подключим диод и резистор последовательно к источнику постоянного напряжения так, чтобы диод был смещен в прямом направлении, падение напряжения на диоде останется довольно постоянным в широком диапазоне напряжений источника питания, как показано на рисунке (a) ниже.

Ток через смещенный в прямом направлении PN-переход пропорционален величине и , возведенной к мощности прямого падения напряжения.Поскольку это экспоненциальная функция, ток растет довольно быстро при небольшом увеличении падения напряжения.

Другой способ рассмотреть это — сказать, что напряжение, падающее на диоде с прямым смещением, мало изменяется при больших изменениях тока диода. В схеме, показанной на рисунке (а) ниже, ток диода ограничен напряжением источника питания, последовательным резистором и падением напряжения на диоде, которое, как мы знаем, не сильно отличается от 0,7 вольт.

Прямо смещенный Si-эталон: (а) одиночный диод, 0. 7В, (б) 10 диодов последовательно 7.0В.

Если бы напряжение источника питания было увеличено, падение напряжения резистора увеличилось бы почти на такую ​​же величину, а напряжение диода упало бы совсем немного. И наоборот, уменьшение напряжения источника питания привело бы к почти одинаковому снижению падения напряжения на резисторе с небольшим уменьшением падения напряжения на диодах.

Короче говоря, мы могли бы резюмировать это поведение, сказав, что диод регулирует падение напряжения примерно на 0.7 вольт.

Использование регулирования напряжения

Регулировка напряжения — это полезное свойство диодов. Предположим, мы строим какую-то схему, которая не может выдерживать колебаний напряжения источника питания, но должна питаться от химической батареи, напряжение которой изменяется в течение срока ее службы. Мы могли бы сформировать схему, как показано выше, и подключить схему, требующую постоянного напряжения на диоде, где он будет получать неизменное 0,7 вольт.

Это, безусловно, сработает, но для большинства практических схем любого типа требуется напряжение источника питания выше 0.7 вольт для нормальной работы. Один из способов увеличить нашу точку стабилизации напряжения — это соединить несколько диодов последовательно, чтобы их отдельные прямые падения напряжения по 0,7 вольта добавлялись, чтобы получить большее общее количество.

Например, в нашем примере выше [рисунок (b)], если бы у нас было десять последовательно соединенных диодов, регулируемое напряжение было бы в десять раз 0,7 или 7 вольт.

До тех пор, пока напряжение батареи никогда не опускалось ниже 7 вольт, на десятидиодной «стопке» всегда будет падать около 7 вольт.”

Как стабилитроны регулируют напряжение

Если требуются более высокие регулируемые напряжения, мы могли бы либо использовать больше диодов, включенных последовательно (на мой взгляд, это неэлегантный вариант), либо попробовать принципиально другой подход.

Мы знаем, что прямое напряжение на диоде является довольно постоянной величиной в широком диапазоне условий, как и напряжение обратного пробоя . Напряжение пробоя обычно намного больше прямого напряжения.

Если мы поменяем полярность диода в нашей схеме однодидного стабилизатора и увеличим напряжение источника питания до точки, где диод «сломается» (то есть он больше не сможет выдерживать напряжение обратного смещения, подаваемое на него) диод аналогичным образом регулирует напряжение в этой точке пробоя, не позволяя ему расти дальше.Это показано на рисунке (а) ниже.

(a) Кремниевый малосигнальный диод с обратным смещением выходит из строя при напряжении около 100 В. (b) Символ стабилитрона.

К сожалению, когда обычные выпрямительные диоды «выходят из строя», они обычно разрушаются. Однако можно создать диод особого типа, который выдержит пробой без полного выхода из строя. Этот тип диода называется стабилитроном , и его символ показан на рисунке (b) выше.

При прямом смещении стабилитроны ведут себя так же, как стандартные выпрямительные диоды: у них прямое падение напряжения, которое соответствует «уравнению диода» и составляет около 0. 7 вольт. В режиме обратного смещения они не проводят до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет или не превысит так называемое напряжение стабилитрона , после чего диод сможет проводить значительный ток, и при этом будет пытаться ограничить падение напряжения на это к той точке напряжения Зенера.

Пока мощность, рассеиваемая этим обратным током, не превышает тепловые пределы диода, диод не будет поврежден. По этой причине стабилитроны иногда называют «диодами пробоя».”

Схема стабилитрона

производятся с напряжением стабилитрона от нескольких вольт до сотен вольт. Это напряжение стабилитрона незначительно изменяется с температурой, и, как и обычные значения резисторов из углеродного состава, может иметь погрешность от 5 до 10 процентов по сравнению со спецификациями производителя. Однако эта стабильность и точность обычно достаточно хороши для использования стабилитрона в качестве устройства регулятора напряжения в общей цепи питания, показанной на рисунке ниже.

Схема стабилитрона, напряжение стабилитрона = 12,6 В).

Обратите внимание на ориентацию стабилитрона в приведенной выше схеме: диод смещен в обратном направлении , и это сделано намеренно. Если бы мы сориентировали диод «нормальным» образом, чтобы он был смещен в прямом направлении, он бы упал всего на 0,7 В, как и обычный выпрямительный диод. Если мы хотим использовать свойства обратного пробоя этого диода, мы должны использовать его в режиме обратного смещения.Пока напряжение источника питания остается выше напряжения стабилитрона (в данном примере 12,6 вольт), падение напряжения на стабилитроне будет оставаться на уровне примерно 12,6 вольт.

Как и любой полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температуре. Избыточная температура разрушит стабилитрон, а поскольку он снижает напряжение и проводит ток, он выделяет собственное тепло в соответствии с законом Джоуля (P = IE). Следовательно, нужно быть осторожным при проектировании схемы регулятора таким образом, чтобы не превышалась допустимая мощность рассеиваемой мощности диода. Достаточно интересно, что когда стабилитроны выходят из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности, они обычно выходят из строя , закорачивая , а не открываясь. Диод, вышедший из строя таким образом, легко обнаруживается: он падает почти до нуля при смещении в любую сторону, как кусок проволоки.

Математический анализ схемы регулирования стабилитрона

Давайте рассмотрим схему стабилизации стабилитрона математически, определив все напряжения, токи и рассеиваемую мощность. Взяв ту же форму схемы, показанную ранее, мы выполним вычисления, предполагая, что напряжение Зенера равно 12.6 вольт, напряжение источника питания 45 вольт и номинальное сопротивление последовательного резистора 1000 Ом (мы будем считать, что напряжение стабилитрона составляет , ровно 12,6 вольт, чтобы не квалифицировать все цифры как «приблизительные» на рисунке ( а) ниже

Если напряжение стабилитрона составляет 12,6 вольт, а напряжение источника питания составляет 45 вольт, на резисторе будет падать 32,4 вольт (45 — 12,6 вольт = 32,4 вольт). Падение 32,4 В на 1000 Ом дает 32,4 мА тока в цепи. (Рисунок ниже (b))

(a) Зенеровский стабилизатор напряжения с резистором 1000 Ом.(б) Расчет падений напряжения и тока.

Мощность рассчитывается путем умножения тока на напряжение (P = IE), поэтому мы можем довольно легко рассчитать рассеиваемую мощность как для резистора, так и для стабилитрона:

Подойдет стабилитрон с номинальной мощностью 0,5 Вт, а также резистор с мощностью рассеяния 1,5 или 2 Вт.

Схема на стабилитроне с повышенным сопротивлением

Если чрезмерное рассеяние мощности является вредным, то почему бы не спроектировать схему с минимальным возможным рассеянием? Почему бы просто не рассчитать резистор на очень высокое значение сопротивления, тем самым резко ограничив ток и сохранив очень низкие показатели рассеиваемой мощности? Возьмем, например, эту схему с резистором 100 кОм вместо резистора 1 кОм.Обратите внимание, что как напряжение источника питания, так и напряжение стабилитрона диода на рисунке ниже идентичны последнему примеру:

Стабилизатор стабилитрона с резистором 100 кОм.

При токе только 1/100 от того, что было раньше (324 мкА вместо 32,4 мА), оба значения рассеиваемой мощности должны быть в 100 раз меньше:

Рекомендации по сопротивлению нагрузки

Кажется идеальным, не правда ли? Меньшая рассеиваемая мощность означает более низкие рабочие температуры как диода, так и резистора, а также меньшие потери энергии в системе, верно? Более высокое значение сопротивления действительно снижает уровень рассеиваемой мощности в цепи, но, к сожалению, создает другую проблему.Помните, что цель схемы регулятора — обеспечить стабильное напряжение для другой схемы . Другими словами, мы в конечном итоге собираемся запитать что-то с напряжением 12,6 вольт, и это что-то будет иметь собственное потребление тока.

Рассмотрение понижающего резистора с меньшим значением

Рассмотрим нашу первую схему стабилизатора, на этот раз с нагрузкой 500 Ом, подключенной параллельно стабилитрону на рисунке ниже.

Стабилизатор стабилитрона с последовательным резистором 1000 Ом и нагрузкой 500 Ом.

Если на нагрузке 500 Ом поддерживается 12,6 В, нагрузка потребляет ток 25,2 мА. Чтобы «падающий» резистор 1 кОм упал на 32,4 В (уменьшив напряжение источника питания с 45 В до 12,6 на стабилитроне), он все равно должен проводить ток 32,4 мА. Это оставляет 7,2 мА тока через стабилитрон.

Рассмотрение резистора с пониженным сопротивлением повышенного значения

Теперь рассмотрим нашу схему «энергосберегающего» регулятора с понижающим резистором 100 кОм, обеспечивающую питание той же нагрузки 500 Ом.Что он должен делать, так это поддерживать 12,6 вольт на нагрузке, как и в последней цепи. Однако, как мы увидим, не может выполнить эту задачу с помощью . (Рисунок ниже)

Нерегуляторный стабилитрон с последовательным резистором 100 кОм и нагрузкой 500 Ом.>

При большем значении понижающего резистора на месте будет только около 224 мВ напряжения на нагрузке 500 Ом, что намного меньше ожидаемого значения 12,6 вольт! Почему это? Если бы у нас действительно было 12,6 вольт на нагрузке, она бы потребляла 25. 2 мА тока, как и раньше. Этот ток нагрузки должен был бы пройти через последовательный понижающий резистор, как это было раньше, но с новым (намного большим!) Понижающим резистором на месте падение напряжения на этом резисторе при токе 25,2 мА, проходящем через него, составит 2520 вольт! Поскольку очевидно, что у нас не так много напряжения, обеспечиваемого батареей, этого не может произойти.

Анализ более высокого сопротивления падению без стабилитрона

Ситуацию легче понять, если мы временно удалим стабилитрон из схемы и проанализируем поведение только двух резисторов на рисунке ниже.

Нерегулятор со снятым стабилитроном.

И понижающий резистор 100 кОм, и сопротивление нагрузки 500 Ом включены последовательно друг с другом, что дает общее сопротивление цепи 100,5 кОм. При общем напряжении 45 В и общем сопротивлении 100,5 кОм закон Ома (I = E / R) говорит нам, что ток будет 447,76 мкА. Рассчитав падение напряжения на обоих резисторах (E = IR), мы получаем 44,776 В и 224 мВ соответственно.

Если бы мы переустановили стабилитрон в этот момент, он также «увидел бы» 224 мВ на нем, параллельно сопротивлению нагрузки.Это намного ниже напряжения пробоя стабилитрона диода, поэтому он не «пробивается» и не проводит ток. Если уж на то пошло, при таком низком напряжении диод не будет проводить, даже если он будет смещен в прямом направлении! Таким образом, диод перестает регулировать напряжение. Чтобы «активировать» его, необходимо упасть минимум 12,6 вольт.

Аналитическая методика удаления стабилитрона из схемы и проверки наличия достаточного напряжения, чтобы заставить его проводить, является правильной. Тот факт, что стабилитрон включен в цепь, не гарантирует, что на нем всегда будет падать полное напряжение стабилитрона! Помните, что стабилитроны работают по принципу , ограничивая напряжение до некоторого максимального уровня; они не могут заменить из-за отсутствия напряжения.

Правило в работе стабилитрона

Таким образом, любая схема стабилизации на стабилитронах будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки равно некоторому минимальному значению или превышает его. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, он будет потреблять слишком большой ток, слишком большое падение напряжения на последовательном понижающем резисторе, оставляя недостаточное напряжение на стабилитроне, чтобы заставить его проводить. Когда стабилитрон перестает проводить ток, он больше не может регулировать напряжение, и напряжение нагрузки упадет ниже точки регулирования.

Расчет сопротивления нагрузки для некоторых резисторов падения

Однако наша схема регулятора с понижающим резистором 100 кОм должна быть подходящей для некоторого значения сопротивления нагрузки. Чтобы найти это приемлемое значение сопротивления нагрузки, мы можем использовать таблицу для расчета сопротивления в последовательной цепи с двумя резисторами (без диода), вставив известные значения общего напряжения и сопротивления падающего резистора и рассчитав ожидаемое напряжение нагрузки 12,6 В. :

С общим напряжением 45 В и 12.6 вольт на нагрузке, у нас должно быть 32,4 вольт на R _{, понижая} :

При 32,4 В на падающем резисторе и сопротивлении 100 кОм ток через него будет 324 мкА:

Поскольку цепь является последовательной, ток во всех компонентах в любой момент времени одинаков:

Расчет сопротивления нагрузки теперь является простым делом закона Ома (R = E / I), что дает нам 38,889 кОм:

Таким образом, если сопротивление нагрузки равно 38. 889 кОм, на нем будет 12,6 вольт, диод или без диода. Любое сопротивление нагрузки менее 38,889 кОм приведет к напряжению нагрузки менее 12,6 В, диод или отсутствие диода. При установленном диоде напряжение нагрузки будет регулироваться максимум до 12,6 В для любого сопротивления нагрузки больше , чем 38,889 кОм.

При исходном значении падающего резистора 1 кОм наша схема регулятора смогла адекватно регулировать напряжение даже при сопротивлении нагрузки всего 500 Ом.Мы видим компромисс между рассеиваемой мощностью и допустимым сопротивлением нагрузки. Понижающий резистор большего номинала дал нам меньше рассеиваемой мощности за счет повышения допустимого минимального значения сопротивления нагрузки. Если мы хотим регулировать напряжение для низких сопротивлений нагрузки, схема должна быть подготовлена ​​к более высокому рассеиванию мощности.

Как стабилитрон регулирует напряжение

* SPICE 03445.eps D1 4 0 диод D2 4 2 диода R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN (0 20 1k). Модель диода d bv = 10 .tran 0.001m 2m .end