Стабилитрон напряжения: Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Стабилитрон принцип работы

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон.

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

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

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

Маркировка стабилитронов

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

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

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

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

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

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

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

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

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

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

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

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

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

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

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

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

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

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

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

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

где

Iпр – прямой ток, А

Uпр  – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

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

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, 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 блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

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

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

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

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

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

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

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

Напряжение стабилизации

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

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

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

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

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

Маркировка стабилитронов

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

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

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

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

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

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

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

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

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

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

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

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

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

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

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

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

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

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

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

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

где

Iпр – прямой ток, А

Uпр  – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

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

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, 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 блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

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

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

Стабилитрон (диод Зенера)

Принцип работы

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

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

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

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

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

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

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

Характеристики стабилитрона I-V

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

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

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

Диодный стабилитрон

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

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

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

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

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

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

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

Напряжение стабилитрона

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

Стабилитроны, соединенные последовательно

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

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

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

Стандартные напряжения стабилитрона

Мощность стабилитрона BZX55 500 мВт

Мощность стабилитрона BZX85 1,3 Вт

3. 3V	3.6V	3.9V	4.3V	4.7V	5.1V	5,6	6.2V
6,8 В	7.5V	8.2V	9.1V	10V	11V	12V	13V
15V	16V	18V	20V	22V	24V	27В	30V
33V	36V	39V	43V	47V	51V	56V	62V

Схемы стабилитрона

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

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

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

Прямоугольная волна

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

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

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

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

Характеристики, маркировка и принцип работы стабилитрона

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

Устройство

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

Вольт-амперная характеристика

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

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

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

Области применения

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

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

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

Основные характеристики

В паспорте стабилизирующего диода указывают следующие параметры:

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

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

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

Способы включения – последовательное и параллельное

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

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

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

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

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

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

Составные стабилитроны

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

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

Виды стабилитронов

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

Прецизионные

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

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

Быстродействующие

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

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

Регулируемые стабилитроны

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

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

Способы маркировки

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

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

Как отличить стабилитрон от обычного диода

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

Схема приставки к мультиметру

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

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

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

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

Как правильно подобрать стабилитрон?

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

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

Содержание драгоценных металлов в стабилитронах

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

Стабилитрон — это что такое и для чего он нужен?

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

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

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

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

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

Характеристики

Параметры стабилитронов следующие:

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

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

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

Pmax = Iст max∙ Uст.

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

Схемы включения

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

В некоторых случаях происходит нарушение стабилизации.

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

Для защиты стабилизатора применяются тиристорные схемы защиты или плавкие предохранители.

Резистор Rб рассчитывается по формуле:

Rб = (Uпит — Uном )(Iст + Iн).

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

Выбор стабилитронов

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

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

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

Параметры характерны для устройств с небольшим потреблением энергии.

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

R∑ = 12 В / 0,1 А = 120 Ом.

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

Rэкв = 9 В / 0,1 А = 90 Ом.

Теперь можно определить сопротивление балласта:

Rб = 120 Ом — 90 Ом = 30 Ом.

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

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

UR = 15 — 9 = 6 В.

Затем определяется ток через резистор:

IR = 6/30 = 0,2 А.

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

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

По полученным параметрам подбирается подходящий стабилитрон Д815В.

Симметричный стабилитрон

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

Аналог стабилитрона

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

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

Маркировка стабилитронов

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

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

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

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

Принцип работы:

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

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

Устройство

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

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

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

Назначение

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

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

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

Прямое включение диода

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

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

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

Обратное включение диода

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

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

Прямое и обратное напряжение

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

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

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

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

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

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

Подобный график можно описать следующим образом:

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

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

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

Стабилитрон. Принцип работы, вольт-амперная характеристика.

После изучения диодов, их принципа работы и устройства самым логичным шагом будет рассмотреть и еще один полезнейший элемент многих электрических схем – стабилитрон! Также его называют диодом Зенера, в честь физика Кларенса Зенера, которому и принадлежит гордое звание изобретателя стабилитрона. В 1930-х годах Зенер изучал явления электрического пробоя в диэлектриках, результаты его исследований и легли в основу работы диодов Зенера.

Стабилитрон – это диод, который предназначен для работы на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в режиме пробоя. Как вы помните, рабочая область обычного диода находится наоборот на прямой ветви. Я уже упомянул термин “пробой”, так что давайте разберемся подробнее с этим явлением…

Итак, различают три типа или механизма пробоя:

• туннельный
• лавинный
• тепловой

Именно первый тип пробоя и открыл К. Зенер в своих работах. Туннельный пробой связан, в свою очередь, с туннельным эффектом, то есть явлением проникновения электронов через узкий потенциальный барьер на границе p-n перехода. Это приводит к тому, что электроны начинают проходить из p-области в область n-типа, что, в свою очередь, вызывает резкое возрастание обратного тока через p-n переход.

Лавинный пробой связан с тем, что движущиеся в сильном электрическом поле частицы могут приобретать кинетическую энергию, величины которой достаточно для ударной ионизации молекул или атомов материала. То есть электрон или дырка, разогнавшись, сталкиваются с атомом вещества, в результате чего образуется пара противоположно заряженных частиц. Все это становится возможным, если кинетическая энергия этих частиц до столкновения имела достаточную величину. Так вот, в итоге, образовавшиеся частицы (либо одна из них) также начинают разгоняться под действием сильного поля и также врезаются в атом материала 🙂 В итоге весь процесс повторяется снова и снова, как лавина, собственно, из-за этого пробой и получил свое название.

Тепловой же пробой куда более прозаичен. Из-за увеличения обратного напряжения p-n переход нагревается и затем разрушается. В отличие от туннельного и лавинного пробоя, которые являются обратимыми, тепловой пробой – необратим.

На обратимости механизмов пробоя, в общем-то, и строится принцип работы стабилитрона. Именно ситуация, при которой он находится в состоянии лавинного или туннельного пробоя, и является для диода Зенера рабочей! Из этого же вытекает и основное отличие стабилитрона от обычного диода. Стабилитрон проектируется таким образом, чтобы туннельный, либо лавинный, либо оба этих типа пробоя возникали гарантированно и задолго до того, как в устройстве возникнет тепловой пробой (ведь тепловой пробой просто выведет элемент из строя – окончательно и бесповоротно).

Принято считать, что разным механизмам пробоя соответствуют величины обратных напряжений:

• U_{пробоя} < 4.5 В – преобладает туннельный пробой
• 4.5 В \leqslant U_{пробоя} \leqslant 6.7 В – оба типа пробоя возникают одновременно
• U_{пробоя} > 6.7В – лавинный пробой

Все эти характеристики стабилитрона можно изобразить следующим образом:

Тут стоит отметить два важных нюанса. Во-первых, эти значения не являются строго точными. Для разных диодов, разных способов изготовления, величины могут быть другими. Но, в целом, идея неизменна – существует некая область, в пределах которой оба механизма пробоя сосуществуют вместе. Второй интересный момент заключается в том, что температурный коэффициент лавинного и туннельного пробоя имеют разные знаки:

• при туннельном пробое температурный коэффициент напряжения (ТКН) отрицательный, поскольку с увеличением температуры напряжения пробоя уменьшается.
• при лавинном же пробое ТКН положительный, то есть все наоборот – увеличение температуры ведет к увеличению напряжения пробоя.

Итак, мы разобрались с принципом работы стабилитрона, протекающими процессами и с тем, что рабочий режим диода Зенера лежит в области обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона:

При увеличении обратного напряжения в определенный момент наступает пробой и ток через стабилитрон резко возрастает. При этом напряжение напротив остается практически неизменным, то есть стабилизированным. В этом и заключается идея использования стабилитронов в электрических цепях 🙂

На схеме я отдельно выделил несколько точек, давайте по ним пробежимся:

• I_{ст \medspace мин} – минимальное значение обратного тока. Если ток имеет меньшее значение, то стабилитрон закрыт.
• I_{ст} – номинальное значение обратного тока. Обычно указывается производителем в документации и может составлять около 30% от максимального тока стабилизации.
• I_{ст \medspace макс} – вот и он, уже упомянутый максимальный ток стабилизации. Эта величина ограничена максимальной рассеиваемой мощностью прибора. При превышении этого значение как раз-таки и произойдет пресловутый тепловой пробой, который выведет стабилитрон из строя.

Каждому из этих значений тока соответствует определенное значение напряжения, которое также указывается в справочнике/документации на конкретный элемент.

Теперь для наглядной демонстрации рассмотрим практический пример схемы со стабилитроном. Кстати на принципиальных электрических схемах он обозначается следующим образом:

А так выглядит базовая схема, в отличие от диода полярность включения стабилитрона обратная:

Выберем какой-нибудь конкретный экземпляр, например, 1N4733A. Его характеристики приведены ниже:

Итак, начинаем подавать на вход напряжение:

U_{вых} = 3 В

Как видите, подаваемое напряжение не превышает напряжение стабилизации, поэтому на выходе наблюдаем то же значение, что и на входе. Увеличиваем напряжение:

U_{вых} = 5 В

И здесь уже ситуация меняется, стабилитрон начинает выполнять свою работу! Поднимаем напряжение еще выше:

U_{вых} = 5.05 В
U_{вых} = 5.11 В

Стабилизация напряжения налицо! Вот, в общем-то, мы наглядно проверили принцип работы стабилитрона, теоретические аспекты которого изучили ранее 🙂

На этом заканчиваем сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание!

принцип работы, схема и т.д.

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

Схема стабилитрона

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия стабилитрона

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

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

График напряжение-ток для стабилитрона

Напряжение стабилитрона

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

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

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

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

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

Простая цепь с нагрузкой, соединенной параллельно с стабилитроном

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЛЬТАЖА ЛЮБОГО СТАБИЛИТРОНА

Как мы проверяем стабилитрон? Подключив к регулируемому блоку питания и отслеживая ток. А если такого БП под рукой нет, а если он на максимум 20, а стабилитрон на 30 вольт (да и конденсатор в источнике питания может повредить измеряемый диод)? Поэтому не лишним будет обзавестись простым цифровым тестером стабилитронов. При этом схема должна быть эквивалентна функции «проверки диодов» в мультиметре, диапазон напряжений не менее 30 В, питание типовое 5 В, сборка из самых простых и дешманских радиоэлементов. 

Схема и чертеж печатной платы измерителя

Вот принципиальная схема тестера для определения напряжения стабилитрона — на сколько он вольт. Тут выбран инвертор на базе NE555 в качестве преобразователя. Сначала использовался дроссель 470uH и транзистор BC337 в качестве ключа. Удалось выжать около 70 В из схемы, но и транзистор, и дроссель были сильно нагретыми. Заменили ключевой транзистор на MJE13007 от какого-то блока питания ATX.

Далее источник тока. Ничего нового, простая схема с транзистором, здесь применен BC327, два выпрямительных диода и измерительный резистор. 

Теперь измерение. Берем цифровой китайский вольтметр, измеряющий напряжение на стабилитроне. Эти индикаторы имеют диапазон 3-30 В обычно. Этот факт, а также применяемый транзистор с Uce max 40V вынуждают выполнить некоторое ограничение напряжения на тестируемом устройстве.

Элементами ответственными за ограничение являются D4, T1, R3, R4 — перенапряжение 33 В вызывает сброс низкого состояния на входе сброса NE555 и инвертор выключается.

Источник питания — импульсный 5 В 1 A. Соответствующее гнездо установлено в корпусе. Готовое устройство также имеет переключатель настройки источника тока — трехпозиционный переключатель, замыкающий точку A на точку B или C или оставляющий ее не подключенной, что дает установки тока 1,4 мА, 3,8 мА и 0,7 мА. С этими значениями полезно проверить, как стабилитроны держат разный ток. 

Если напряжение питания будет выше 8,5 В, то можно использовать UC3843 + Мосфет, который дает очень высокую эффективность (более 90%) и возможность тестировать диоды с еще более высокими напряжениями, после добавления делителя 1:10 на вольтметре. Схему похожего прибора можно посмотреть в этой статье.

   Форум по измерительным приборам

   Обсудить статью ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЛЬТАЖА ЛЮБОГО СТАБИЛИТРОНА

Стабилитроны. Справочник.

Стабилитроны. Справочник.
☰

Zener diodes

Для удобства можно воспользоваться поиском на странице (Ctrl+F).
Список в алфавитном порядке есть здесь.

Внимание!
Буквенный индекс A, B, C, D в конце маркировки характеризует разброс параметров по напряжению стабилизации.
В отдельных случаях индекс может указывать на температурный коэффициент.
Подробности необходимо уточнять в приложенной технической документации.

POWER(Watts)

Побликации основаны на данных из открытых источников.

Стабилитрон — это… Что такое Стабилитрон?

Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — плоскостной кремниевый полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя^[1]. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко^[1]. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом^[1]. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов^[2].

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения^[1][2]. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 1,8 В до 400 В^[3]. Интегральные стабилитроны со скрытой структурой на напряжение около 7 В являются самыми точными и стабильными твердотельными источниками опорного напряжения: лучшие их образцы приближаются по совокупности показателей к нормальному элементу Вестона. Особый тип стабилитронов, высоковольтные лавинные диоды («подавители переходных импульсных помех», «суппрессоры», «TVS-диоды») применяются для защиты электроаппаратуры от перенапряжений.

Терминология и классификация

В русскоязычной литературе понятие «стабилитрон» без уточняющего «полупроводниковый» применяется именно к полупроводниковым стабилитронам. Уточнение необходимо, если нужно противопоставить стабилитроны полупроводниковые — устаревшим газонаполненным стабилитронам тлеющего и коронного разряда. Катодом стабилитрона обозначается вывод, в который втекает обратный ток (n-область обратно-смещённого p-n-перехода), анодом — вывод, из которого ток пробоя вытекает (p-область p-n-перехода). Двуханодные (двусторонние) стабилитроны состоят из двух стабилитронов, включенных последовательно во встречных направлениях, «катод к катоду» или «анод к аноду», что с точки зрения пользователя равнозначно.

Полупроводниковые стабилитроны вошли в промышленную практику во второй половине 1950-х годов. В прошлом в номенклатуре стабилитронов выделялись функциональные группы^[4], впоследствии потерявшие своё значение, а современные полупроводиковые стабилитроны классифицируются по функциональному назначению на:

Название «зенеровский диод» (калька с английского zener diode, по имени первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера), согласно ГОСТ 15133—77 «Приборы полупроводниковые. Термины и определения», в технической литературе не допустимо^[2]. В англоязычной литературе словом stabilitron или stabilotron называют стабилотрон — не получивший широкого распространения тип вакуумной генераторной лампы СВЧ-диапазона^[7][8], а понятие zener или zener diode («зенеровский диод») применяется к стабилитронам всех типов независимо от того, какой механизм пробоя (зенеровский или лавинный) преобладает в конкретном приборе^[9]. Английское avalanche diode («лавинный диод») применяется к любым диодам лавинного пробоя, тогда как в русскоязычной литературе лавинный диод, или «ограничительный диод» по ГОСТ 15133—77^[10] — узко определённый подкласс стабилитрона с лавинным механизмом пробоя, предназначенный для защиты электроаппаратуры от перенапряжений. Ограничительные диоды рассчитаны не на непрерывное пропускание относительно малых токов, а на краткосрочное пропускание импульсов тока силой в десятки и сотни А. Так называемые «низковольтные лавинные диоды» (англ. low voltage avalanche, LVA), напротив, предназначены для работы в неперерывном режиме. Это маломощные стабилитроны с необычно низким дифференциальным сопротивлением; в промышленной практике различие между ними и «обычными» стабилитронами стёрлось^[11].

Некоторые «прецизионные стабилитроны» несут обозначения, характерные для дискретных приборов, но в действительности являются сложными интегральными схемами. Внутренними источниками опорного напряжения таких микросхем могут служить и стабилитроны, и бандгапы. Например, двухвыводной «прецизионный стабилитрон» 2С120 (аналог AD589) — это бандгап Брокау. На структурной схеме микросхемы TL431 изображён стабилитрон, но в действительности TL431 — это бандгап Видлара^[12][13].

Не являются стабилитронами лавинно-пролётные диоды, туннельные диоды и стабисторы. Стабисторы — это маломощные диоды, предназначенные для работы на прямом токе в стабилизаторах напряжения и как датчики температуры. Характеристики стабисторов в обратном включении не нормировались, а подача на стабистор обратного смещения допускалась только «при переходных процессах включения и выключения аппаратуры»^[14]. Обращённые диоды в различных источниках определяются и как подкласс стабилитронов^[15], и как подкласс туннельных диодов^[16]. Концентрация легирующих примесей в этих диодах настолько велика, что туннельный пробой возникает при нулевом обратном напряжении. Из-за особых физических свойств и узкой области применения они обычно рассматриваются отдельно от стабилитронов и обозначаются на схемах особым, отличным от стабилитронов, символом^[15][17].

Принцип действия

Полупроводниковый стабилитрон — это плоскостной кремниевый диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствии тепловой неустойчивости — катастрофического саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою^[19].

Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском университете^[20]. Его «Теория электического пробоя в твёрдых диэлектриках» была опубликована летом 1934 года^[21]. В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложеный Зенером туннельный механизм действует только при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при бо́льших напряжениях преобладает лавинный механизм^[20]. Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой:

• Туннельный, или зенеровский, пробой возникает в полупроводнике только тогда, когда напряжённость электрического поля в p-n-переходе достигает уровня в 10⁶ В/см. Такие уровни напряжённости возможны только в высоколегированных диодах (структурах p⁺-n⁺-типа проводимости) с напряжением пробоя не более шестикратной ширины запрещённой зоны (6 E_G ≈ 6,7 В), при этом в диапазоне от 4 E_G до 6 E_G (4,5…6,7 В) туннельный пробой сосуществует с лавинным, а при напряжении пробоя менее 4 E_G (≈4,5 В) полностью вытесняет его. С ростом температуры перехода ширина запрещённой зоны, а вместе с ней и напряжение пробоя, уменьшается: низковольтные стабилитроны с преобладанием туннельного пробоя имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН)^[22].
• В диодах с меньшими уровнями легирования, или меньшими градиентами легирующих примесей, и, как следствие, бо́льшими напряжениями пробоя наблюдается лавинный механизм пробоя. Он возникает при концентрациях примесей, примерно соответствующих напряжению пробоя в 4 E_G (≈4,5 В), а при напряжениях пробоя выше 4 E_G (≈7,2 В) полностью вытесняет туннельный механизм. Напряжение, при котором возникает лавинный пробой, с ростом температуры возрастает, а наибольшая величина ТКН пробоя наблюдается в низколегированных, относительно высоковольтных, переходах^[23].

Механизм пробоя конкретного образца можно определить грубо — по напряжению стабилизации, и точно — по знаку его температурного коэффициента^[24]. В «серой зоне» (см. рисунок), в которой конкурируют оба механизма пробоя, ТКН может быть определён только опытным путём. Источники расходятся в точных оценках ширины этой зоны: С. М. Зи указывает «от 4 E_G до 6 E_G» (4,5…6,7 В), авторы словаря «Электроника» — «от 5 до 7 В»^[8], Линден Харрисон — «от 3 до 8 В»^[25], Ирвинг Готтлиб проводит верхнюю границу по уровню 10 В^[9]. Низковольтные лавинные диоды (LVA) на напряжения от 4 до 10 В — исключение из правила: в них действует только лавинный механизм^[11].

Оптимальная совокупность характеристик стабилитрона достигается в середине «серой зоны», при напряжении стабилизации около 6 В. Дело не столько в том, что благодаря взаимной компенсации ТКН туннельного и лавинного механизмов эти стабилитроны относительно термостабильны, а в том, что они имеют наименьший технологический разброс напряжения стабилизации и наименьшее, при прочих равных условиях, дифференциальное сопротивление^[26]. Наихудшая совокупность характеристик — высокий уровень шума, большой разброс напряжений стабилизации, высокое дифференциальное сопротивление — свойственна низковольтным стабилитронам на 3,3—4,7 В^[27].

Производство

Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в пластиковом (вверху) и стеклянном (внизу) корпусах^[28]

Силовые стабилитроны изготавливают из монокристаллического кремния по диффузионно-сплавной или планарной технологии, маломощные — по планарной, реже меза-технологии. В планарном диодном процессе используется две или три фотолитографии. Первая фотолитография вскрывает на поверхности защитного оксида широкие окна, в которые затем вводится легирующая примесь. В зависимости от требуемого профиля легирования могут применяться процессы ионной имплантации, химическое парофазное осаждение и диффузия из газовой среды или из поверхностной плёнки. После первичного ввода примеси её загоняют из поверхностного слоя вглубь кристалла при температуре 1100—1250 °C. Затем проводят операцию геттерирования — выталкивания поверхностных дефектов в глубину кристалла и пассивацию его поверхности. Геттерирование и пассивация не только снижают шум стабилитрона, но и радикально повышают его надёжность, устраняя основную причину случайных отказов — поверхностные дефекты. Вторая фотолитография вскрывает окна для нанесения первого, тонкого слоя анодной металлизации. После неё, при необходимости, проводится электронно-лучевое осаждение основного слоя анодной металлизации, третья фотолитография и электронно-лучевое осаждение металла со стороны катода^[29].

Пластины перевозят на сборочное производство и там режут на отдельные кристаллы. Сборка стабилитронов в транзисторных (SOT23, TO220 и т. п.) и микросхемных (DIP, SOIC и т. п.) корпусах выполняется по обычным технологиям корпусирования. Массовая сборка диодов, в том числе стабилитронов, в двухвыводных корпусах с гибкими выводами может выполняться двумя способами^[28]:

• Диоды в пластиковых корпусах (Surmetic) собираются в два этапа. Вначале сборочный автомат припаивает кремниевый кристалл («таблетку») диода встык к уширенным торцам выводов. Выводы изготавливаются из меди, а их сечение сопоставимо с площадью кремниевой таблетки или превышает её. Торцы выводов формуются в форме шляпки гвоздя и обычно предварительно облуживаются. После пайки в сборочном автомате полуфабрикаты упаковываются в герметичные пластиковые цилиндры^[28].
• Диоды в стеклянных корпусах DO-35 и DO-41 собираются в один этап. Между кремниевой таблеткой и торцами гибкого вывода из биметаллической проволоки вкладываются две полые, облуженные биметаллические обоймы. На собранную заготовку из кристалла, обойм и выводов одевается стеклянная трубочка — будущий корпус. Сборка нагревается в печи до температуры плавления стекла; при остывании вначале отвердевает стекло, формируя герметичный спай с металлом выводов, а затем — припой^[28].

В более дорогом варианте этой технологии используются три этапа термообработки: кристалл спаивается с молибденовыми или вольфрамовыми обоймами при температурах не менее 700 °С, капсулируется в стекло, и только затем припаиваются выводы^[30]. Во всех случаях выводы дополнительно облуживаются после корпусирования^[28]. Медные выводы предпочтительнее, так как отводят тепло лучше, чем биметаллические^[31]. Присутствие внутри корпуса, по обе стороны тонкой кремниевой таблетки, значительной массы припоя определяет основной механизм отказа стабилитронов: короткое замыкание расплавом припоя, а в планарных интегральных стабилитронах — короткое замыкание расплавом алюминиевой металлизации^[32][33].

Области применения

Защитные стабилитроны в «умном» МДП-транзисторе семейства Intelligent Power Switch компании International Rectifier^[34]

Основная область применения стабилитрона — стабилизация постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора стабилитрон выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах стабилитрону отводится только функция источника опорного напряжения, а регулирующим элементом служит внешний силовой транзистор.

Прецизионные термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой широко применяются в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения (ИОН), в том числе в наиболее требовательных к стабильности напряжения схемах измерительных аналого-цифровых преобразователь. C середины 1970-х годов и по сей день (2012 год) стабилитроны со скрытой структурой являются наиболее точными и стабильными твердотельными ИОН^[35]. Точностные показатели лабораторных эталонов напряжения на специально отобранных интегральных стабилитронах приближаются к показателям нормального элемента Вестона^[36].

Особые импульсные лавинные стабилитроны («подавители переходных импульсных помех», «суппрессоры», «TVS-диоды») применяются для защиты электроаппаратуры от перенапряжений, вызываемых разрядами молний и статического электричества, а также от выбросов напряжения на индуктивных нагрузках. Такие приборы номинальной мощностью 1 Вт выдерживают импульсы тока в десятки и сотни ампер намного лучше, чем «обычные» пятидесятиваттные силовые стабилитроны^[37]. Для защиты входов электроизмерительных приборов и затворов полевых транзисторов используются обычные маломощные стабилитроны. В современных «умных» МДП-транзисторах защитные стабилитроны выполняются на одном кристалле с силовым транзистором^[38].

В прошлом стабилитроны выполняли и иные задачи, которые впоследствии потеряли прежнее значение:

• Ограничение, формирование, амплитудная селекция и детектирование импульсов. Ещё в эпоху электронных ламп кремниевые стабилитроны широко применялись для ограничения размаха импульсов и преобразования сигналов произвольной формы в импульсы заданной полярности^[39][40]. С развитием интегральных технологий эту функцию взяли на себя устройства на быстродействующих компараторах, а затем цифровые процессоры сигналов.
• Стабилизация напряжения переменного тока также сводилась к ограничению размаха синусоидального напряжения двусторонним стабилитроном. При изменении входного напряжении амплитуда выходного напряжения поддерживалась постоянной, а его действующее значение лишь незначительно отставало от действующего значения входного напряжения^[41][40].
• Задание напряжений срабатывания реле. При необходимости установить нестандартный порог срабатывания реле последовательно с его обмоткой включали стабилитрон, доводивший порог срабатывания до требуемого значения. С развитием полупроводниковых переключательных схем сфера применения реле сузилась, а функцию управления реле взяли на себя транзисторные и интегральные пороговые схемы^[42][43].
• Задание рабочих точек усилительных каскадов. В ламповых усилителях 1960-х годов стабилитроны использовались как замена RC-цепочек автоматического смещения. На нижних частотах звукового диапазона и на инфразвуковых частотах расчётные ёмкости конденсаторов таких цепей становились неприемлемо велики, поэтому стабилитрон стал экономичной альтернативой дорогому конденсатору^[44][45].
• Межкаскадный сдвиг уровней. Сдвиг уровней в ламповых усилителях постоянного тока обычно осуществлялся с помощью газонаполненных стабилитронов или обычных неоновых ламп. C изобретением полупроводниковых стабилитронов они стали применяться вместо газонаполненных. Аналогичные решения применялись и в транзисторной аппаратуре^[46], но были быстро вытеснены более совершенными схемами сдвига уровней на транзисторах.
• Стабилитроны с высоким ТКН использовались как датчики температуры в мостовых измерительных схемах^[47]. По мере снижения напряжений питания и потребляемых мощностей эту функцию приняли на себя прямо смещённые диоды, транзисторные PTAT-цепи и интегральные схемы на их основе.

В среде моделирования SPICE модель элементарного стабилитрона используется не только по прямому назначению, но и для описания режима пробоя в моделях «реальных» биполярных транзисторов. Стандартная для SPICE модель транзистора Эберса—Молла режим пробоя не рассматривает^[48].

Основные характеристики стабилитрона

Токи и напряжения стабилизации

ГОСТ 25529—82 «Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров» определяет ток стабилизации (I_ст) и напряжение стабилизации (U_ст) стабилитрона как значения постоянных напряжений и токов в режиме стабилизации^[49]. Режим стабилизации возможен в достаточно широкой области токов и напряжений, поэтому в технической документации указываются допустимые минимальные и максимальные значения (I_{ст.макс}, U_{ст.макс}) токов (I_ст.мин, I_{ст.макс}) и напряжений (U_ст.мин, U_{ст.макс}) стабилизации. Внутри этих диапазонов лежат выбранные производителем номинальные значения I_ст и U_ст. Минимальный ток стабилизации обычно приравнивается к току на выходе из зоны перелома обратной ВАХ, максимальный ограничен допустимой рассеиваемой мощностью, а номинальный ток обычно устанавливается на уровне от 25 до 35 % от максимального^[50]. Минимальные токи низковольтных лавинных диодов измеряются единицами и десятками микроампер^[51], минимальные токи «обычных» стабилитронов — единицами миллиампер.

Например, номинальное напряжение советского стабилитрона 2С133В, как следует из его обозначения, равно 3,3 В, а номинальный ток стабилизации — ток, при котором измеряются его паспортные характеристики — равен 5 мА. Минимальный ток стабилизации для всех рабочих температур (—60…+125° С) установлен на уровне 1 мА, максимальный — зависит от температуры и атмосферного давления. При нормальном атмосферном давлении и температуре, не превышающей +35° С, ток не должен превышать 37,5 мА, а при температуре +125° С — 15 мА. При снижении давления до 665 Па (5 мм рт.ст, или 1/150 нормального атмосферного давления) максимальные токи снижаются вдвое из-за худшего теплоотвода в разреженной среде. Паспортный разброс напряжения стабилизации (U_ст.мин…U_{ст.макс}) этого прибора нормируется для тока 5 мА и четырёх различных температур от —60° С до +125° С. При —60° С разброс напряжений составляет 3,1…3,8 В, при +125° С — 2,8…3,5 В^[52].

Дифференциальное сопротивление

Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов одного семейства (Motorola, 1970-е годы) от напряжения стабилизации и тока стабилизации^[53]

Дифференциальное, или динамическое сопротивление стабилитрона равно отношению приращения напряжения стабилизации к приращению тока стабилизации в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации^[54]. Оно определяет его нестабильность прибора по напряжению питания (по входу) и по току нагрузки (по выходу). Для уменьшения нестабильности по входу стабилитроны запитывают от источников постоянного тока, для уменьшения нестабильности по выходу — включают между стабилитроном и нагрузкой буферный усилитель постоянного тока на эмиттерном повторителе или операционном усилителе, или применяют схему составного стабилитрона^[55]. Теоретически, дифференциальное сопротивление стабилитрона уменьшается с ростом тока стабилизации. Это правило, сформулированное для условия постоянной температуры p-n-перехода, на практике действует только в области малых токов стабилизации. При бо́льших токах неизбежный разогрев кристалла приводит к росту дифференциального сопротивления, и как следствие — к увеличению нестабильности стабилизатора^[56].

Для маломощного стабилитрона 2С133В дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации 1 мА равно 680 Ом, а при номинальном токе в 5 мА и температурах от —60 до +125° С не превышает 150 Ом он не превышает 150 мА^[57]. Стабилитроны бо́льшей мощности на то же номинальное напряжение имеют меньшее дифференциальное сопротивление, например, КС433А — 25 Ом при 30 мА. Дифференциальное сопротивление низковольтных лавинных диодов (LVA) примерно на порядок ниже, чем в «обычных» стабилитронах: например, для LVA351 (напряжение 5,1 В, мощность 400 мВт) оно не превышает 10 Ом при токе 10 мА^[58]. Внутри каждого семейства стабилитронов (одной и той же максимальной мощности) наименьшие абсолютные значения дифференциального сопротивления при заданном токе имеют стабилитроны на напряжение 6 В^[26].

Температурный коэффициент напряжения

Точка нулевого ТКН в стабилитроне с нормально положительным ТКН (I_TK0I_ст.ном.)

ГОСТ определяет температурный коэффициент напряжения как «отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды» при заданном постоянном токе стабилизации^[59]. ТКН обычных, не термокомпенсированных диодов, при их номинальных токах составляет для стабилитронов туннельного пробоя (U_ст<4 E_g) от −0,05 до −0,1 %/°C, а для стабилитронов лавинного пробоя (U_ст<4 E_g) — от 0,05 до 0,1 %/°C. Иными словами, при нагреве стабилитрона от +25° С до +125° С сдвиг напряжения стабилизации составит от 5 до 10 % начального значения.

В области малых и средних токов на вольт-амперных характеристиках стабилитронов на напряжение 4,5…6,5 В^[60] можно найти точку (значение тока I_TK0 и напряжения U_TK0), в которой температурный коэффициент близок к нулю. Если стабилизировать ток стабилитрона внешним источником тока на уровне, точно равном I_TK0, то напряжение на стабилитроне, равное U_TK0, будет практически независимым от температуры. Такой подход применяется в интегральных стабилитронных источниках опорного напряжения, но не применим к устройствам на дискретных стабилитронах. Точное значение I_TK0 можно определить только опытным путём, что в условиях серийного производства неприемлемо^[61]. Стабилитроны на напряжение менее 4,5 В также имеют точку нулевого ТКН, но она достигается лишь при запретительно высоких токах^[60]. Стабилитроны на напряжение свыше 6,5 В имеют положительный (ненулевой) ТКН во всём диапазоне токов^[60].

Дрейф и шум

Подробное рассмотрение темы: Дрейф и шум источников опорного напряжения

Дрейф и шум обычных, не прецизионных, стабилитронов нормируются редко. Для прецизионных стабилитронов это, напротив, важнейшие показатели наравне с начальным разбросом и ТКН^[62]. Высокий уровень шума обычных стабилитронов обусловлен высокой концентрацией загрязнений и дефектов кристаллической решётки в области p-n-перехода. Защитная пассивация оксидом или стеклом, при которой эти примеси выталкиваются из приповерхностных слоёв в толщу кристалла, снижает шумы лишь отчасти^[63]. Радикальный способ снижения шума — выталкивание вглубь кристалла не примесей, а самого p-n-перехода — применяется в малошумящих стабилитронах со скрытой структурой. Лучшие образцы таких приборов имеют размах низкочастотных (0,1—10 Гц) шумов не более 3 мкВ при длительном дрейфе не более 6 мкВ за первые 1000 часов эксплуатации^[64][65].

Наибольший уровень шумов стабилитрона наблюдается в области перелома вольт-амперной характеристики. Инструментально снятые кривые высокого разрешения показывают, что ВАХ перелома имеют не гладкий, а ступенчатый характер; случайные сдвиги этих ступеней и случайные переходы тока со ступени на ступень порождают так называемый шум микроплазмы. Этот шум имеет спектр, близкий белому шуму в полосе частот 0—200 кГц. При переходе из области перелома ВАХ в область токов стабилизации уровень этих шумов резко снижается^[66].

Динамические характеристики

Частота переключения стабилитрона общего назначения обычно не превышает 100 кГц^[67]. Пробой не происходит мгновенно, а время срабатывания зависит как от преобладающего механизма пробоя, так и от конструкции стабилитрона. Во время этого процесса напряжение на стабилитроне может превышать его номинальное значение стабилизации. Частотный диапазон переключательных схем на стабилитронах можно расширить, включив последовательно со стабилитроном быстрый импульсный диод. При уменьшении напряжения на цепочке стабилитрон-диод диод закрывается первым, препятствуя разрядке ёмкости стабилитрона. Заряд на этой ёмкости достаточно долго поддерживает на стабилитроне напряжение стабилизации, то есть стабилитрон никогда не закрывается^[67].

Область безопасной работы

Ограничения области безопасной работы стабилитронов серии NZX при непрерывной стабилизации напряжения

«История показала, что главной причиной выхода диодов из строя является превышение допустимых электрических и тепловых нагрузок.»
Руководство по полупроводниковым приборам НАСА^[68]

Область безопасной работы стабилитрона ограничена рядом параметров, важнейшими из которых является максимальные значения постоянного тока, импульсного тока, температуры p-n-перехода (+150 °С для корпуса SOT-23, +175 °С для корпуса DO-35, +200 °С для корпуса DO-41^[69]) и рассеиваемой мощности. Все эти ограничения должны выполняться одновременно, а несоблюдение хотя бы одного из них ведёт к разрушению стабилитрона^[70].

Ограничения по току и мощности очевидны, а ограничение по температуре требует оценки допустимой мощности, при которой расчётная температура p-n-перехода не превысит максимально допустимой. В технической документации такая оценка обычно приводится в форме графика зависимости допустимой мощности P от температуры окружающей среды T_a. Если такого графика нет, следует оценить допустимую мощность по формуле для температуры перехода T_j:

,

где R_ja — тепловое сопротивление между p-n-переходом и окружающей средой (воздухом) для непрерывно рассеиваемой мощности^[71]. Типичное значения этого показателя маломощного стабилитрона, например, серии NZX, равно 380 °С/Вт^[72]. Мощность, при которой расчётная температура не будет превышать установленного предела в +175 °С^[72], ограничена величиной

Для ожидаемой температуры окружающей среды +50 °С расчётная мощность составляет всего 330 мВт — в полтора раза меньше паспортного максимума мощности в 500 мВт^[72].

Характер и причины отказов

Катастрофическое короткое замыкание может быть вызвано не только выходом за пределы области безопасной работы, но и медленной миграцией атомов легирующей примеси в p-n-переходе. В силовых стабилитронах с пружинным крепление одного из выводов к кристаллу наблюдаются механические повреждения кристалла в зоне контакта с пружиной. Если трещина или потёртость кристалла достигает зоны p-n-перехода, то возможно как катастрофическое, так и перемежающееся, «блуждающее» короткое замыкание, а также стабильное уменьшение напряжения стабилизации^[20].

Старение стабилитронов может проявляться в виде повышенного дрейфа токов, напряжений и дифференциального сопротивления. Дрейф тока при длительной эксплуатации объясняется накоплением загрязняющих примесей в зоне p-n-перехода, в слое защитного оксида и на его поверхности. Дрейф тока при испытаниях при высокой влажностью объясняется негерметичностью корпуса стабилитрона. Дрейф выходного сопротивления, обычно сопровождающийся повышенным уровнем шума, связан с ухудшением электрического контакта между кристаллом и выводами^[20].

Прецизионные стабилитроны

Термокомпенсированный стабилитрон

Принцип работы термокомпенсированного стабилитрона. E_g^*, или V_magic — фундаментальная постоянная, равная ширине запрещённой зоны кремния при Т=0 K (1,143 В) плюс поправка на нелинейность температурной характеристики кремния (77 мВ)

Термокомпенсированный стабилитрон — цепочка из последовательно соединённого стабилитрона на номинальное напряжение около 5,6 В и прямосмещённого диода — вошёл в практику разработчиков в конце 1960-х годов^[73]. К 2000-м годам дискретные термокомпенсированные стабилитроны были вытесенены интегральными источникам опорного напряжения, обеспечившими лучшие показатели точности и стабильности при меньших токах и напряжениях питания^[74].

В окрестности напряжения 5,6 В лавинный механизм пробоя преобладает над туннельным, но не подавляет его, а его температурный коэффициент имеет стабильное положительное значение около +2 мВ/°C. ТКН диода в прямом включении при нормальных рабочих температурах и токах равен примерно −2 мВ/°C. При последовательном соединении стабилитрона и диода их температурные коэффициенты взаимно компенсируются: абсолютная нестабильность по температуре такой цепочки может составлять всего 5 мВ в диапазоне −55…+100 °C или 2 мВ в диапазоне 0…+75 °C^[75]. Нормированный ТКН таких приборов может составлять всего лишь 0,0005 %/°C, или 5 ppm/°C^[76]. Диодом термокомпенсированного стабилитрона может служить второй стабилитрон, включенный во встречном направлении. Такие симметричные двуханодные приборы, допускающие работу при любой полярности напряжения, обычно оптимизированы для работы на номинальном токе 10 мА^[77], или для тока, типичного для данного семейства стабилитронов (7,5 мА для двуханодного 1N822 из стандартной серии 1N821−1N829^[78]). Если же диодом термокомпенсированого стабилитрона служит не стабилитрон, а «простой» диод с ненормированным напряжением пробоя, то эксплуатация прибора на прямой ветви вольт-амперной характеристики, как правило, не допускается^[79].

Номинальное напряжение стабилизации типичного термокомпенсированного стабилитрона составляет 6,2 или 6,4 В при разбросе в ±5 % (в особых сериях ±2 % или %±1 %)^[75]. В зарубежной номенклатуре наиболее распространены три шестивольтовые серии на номинальные токи 7,5 мА (1N821−1N829), 1,0 мА (1N4565−1N4569) и 0,5 мА (1N4565−1N4569)^[80]. Номинальные токи этих серий соответствуют току нулевого ТКН. При меньших токах ТКН отрицательный, при бо́льших — положительный. Дифференциальное сопротивление приборов на 7,5 мА составляет не более 10…15 Ом^[78], приборов на 0,5 мА — не более 200 Ом^[81]. В CCCР выпускалась широкая линейка термокомпенсированных приборов на номинальные напряжения до 96 В^[82], например, в серии Д818 на U_ст.ном.=9,0 В использовались один стабилитрон и три диода^[36]. В технической документации эти особенности внутренней структуры обычно не раскрываются: термокомпенсированные стабилитроны перечисляются в справочниках наравне с обычными или выделяются в отдельный подкласс «прецизионных стабилитронов»^[83]. На принципиальных схемах они обозначаются тем же символом, что и обычные стабилитроны^[84].

Стабилитрон со скрытой структурой

Подробное рассмотрение темы: Стабилитрон со скрытой структурой

Поперечный разрез стабилитрона со скрытой структурой. Стрелка — путь тока пробоя. Соотношения вертикального и горизонтального масштаба и толщин слоёв — условные.

Ток пробоя обычного планарного стабилитрона сосредоточен в приповерхностном слое кремния — в слое с максимальной концентрацией дефектов кристаллической решётки и посторонних примесей. Именно эти примеси и дефекты и обуславливают нестабильность и шум стабилитрона. Улучшить его показатели можно, если «загнать» ток пробоя вглубь кристалла, в скрытую структуру p-n-перехода с меньшим, чем в приповерхностном слое, напряжением пробоя. В классической эпитаксиальной технологии на месте будущего стабилитрона формируется глубокий островок p⁺-типа проводимости, а затем проводится обычные диффузии базового (p^—) и эмиттерного (n⁺) слоёв. Эмиттер созданной диодной структуры становится катодом стабилитрона, база — анодом. В приповерхностном слое этот переход имеет профиль проводимости n⁺-p^—, а на дне базовой области — n⁺-p⁺. Высоколегированный n⁺-p⁺ переход имеет меньшее, чем в приповерхностном n⁺-p^—-слое, напряжение пробоя, поэтому весь обратный ток стабилитрона именно на дне базовой области^[85].

Первая интегральная схема на стабилитронах со скрытым слоем, LM199, была выпущена в 1976 году, а абсолютный рекорд по совокупности точностных характеристик принадлежит выпущенной в 1987 году LTZ1000^[35]. Специально отобранные LTZ1000 используются в наиболее точных твердотельных эталонах напряжения компании Fluke, которая декларирует временную нестабильность в 1 ppm/год и ТКН в 0,1 ppm/°C^[86][36]. LM199, LTZ1000 и их аналоги имеют характерную концентрическую топологию. В центре кристалла расположен стабилитрон, непосредственно к нему примыкают транзисторы — датчики температуры, а вокруг них «уложена» спираль подогревателя, также выполненная по планарной технологии. Внешний или встроенный терморегулятор поддерживает стабильно высокую температуру кристалла. Такие ИС имеют рекордно низкие показатели ТКН (LM199 — 0,3 ppm/°C, LTZ1000 — 0,05 ppm/°C^[87]), шума (LTZ1000 — 1,2 мкВ пик-пик^[87]) и длительного дрейфа (LTZ1000 — 2 мкВ/1000ч^[87]). Заявленные показатели достигаются только при тщательном термостатировании и экранировании схемы и жёсткой стабилизации тока стабилитрона.

Схемы включения стабилитрона

Базовая схема параллельного стабилизатора

Базовая схема и три наихудших случая её работы: короткое замыкание, обрыв нагрузки и срыв стабилизации

Простейший параллельный стабилизатор состоит из балластного резистора, включенного последовательно между источником питания и нагрузкой, и стабилитрона, шунтирующего нагрузку на общий провод («на землю»). Разница между напряжением питания и напряжением пробоя стабилитрона падает на балластном резисторе, а протекающий через него ток питания разветвляется на ток нагрузки и ток стабилитрона. Cтабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи^[88].

Расчёт параметрического стабилизатора на полупроводниковых стабилитронах аналогичен расчёту стабилизатора на газонаполненных приборов, с одним существенным отличием: газонаполненным стабилитронам свойственен гистерезис порогового напряжения. При емкостной нагрузке газонаполненный стабилитрон самовозбуждается, поэтому конструкции таких стабилизаторов обычно не содержат емкостных фильтров, а конструктору не нужно учитывать переходные процессы в этих фильтрах. В стабилизаторах на полупроводниковых стабилитронах гистерезис отсутствует, фильтрующие конденсаторы подключаются непосредственно к выводам стабилитрона и нагрузки — как следствие, конструктор обязан учитывать броски тока заряда (разряда) этих емкостей при включении (выключении) питания. Наихудшими случаями, при которых вероятен выход из строя элементов стабилизатора или срыв стабилизации, являются:

• Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при коротком замыкании выхода стабилизатора на общий провод — например, на время зарядки разряженного конденсатора, подключенного непосредственно к выходу стабилизатора, или при катастрофическом отказе стабилитрона^[89]. Допустимая мощность рассеивания балластного резистора должна быть достаточной, чтобы выдержать подобное замыкание. В противном случае вероятно разрушение балластного резистора.
• Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при отключении нагрузки от выхода стабилизатора. Допустимый ток стабилитрона должен превышать расчётный ток через балластный резистор, определяемый по закону Ома. В противном случае при разогреве кристалла стабилитрона свыше +175 °С стабилитрон разрушается. Соблюдение паспортной области безопасной работы так же важно для стабилитронов, как и для транзисторов^[90].
• Отбор нагрузкой максимально возможного тока при подаче на вход стабилизатора минимально возможного напряжения питания. Сопротивление балластного резистора должно быть достаточно мало, чтобы и в этих условиях ток через резистор превышал ток нагрузки на величину, равную минимально допустимому току стабилитрона. В противном случае ток стабилитрона прерывается, стабилизация прекращается.

На практике часто оказывается, что соблюсти все три условия невозможно как по соображениям себестоимости компонентов, так и из-за ограниченного диапазона рабочих токов стабилитрона. В первую очередь можно поступиться условием защиты от короткого замыкания, доверив её плавким предохранителям или тиристорным схемам защиты, или положиться на внутреннее сопротивление источника питания, которое не позводит ему выдать и максимальное напряжение, и максимальный ток одновременно^[91].

Последовательное и параллельное включение

В документации на стабилитроны иностранного производства возможность их последовательного или параллельного включения обычно не рассматривается. В документации на советские стабилитроны встречаются две формулировки:

• для приборов малой и средней мощности «допускается последовательное или параллельное соединение любого числа стабилитронов» [одной серии]^[92];
• для приборов средней и большой мощности «допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов [одной серии]. Параллельное соединение допускается при условии, что суммарная рассеиваемая мощность на всех параллельно включенных стабилитронах не превосходит максимально допустимой мощности для одного стабилитрона»^[93].

Последовательное соединение стабилитронов разных серий возможно при условии, что рабочие токи последовательной цепочки укладываются в паспортные диапазоны токов стабилизации каждой использованной серии. Шунтировать стабилитроны высокоомными выравнивающими резисторами так, как это делается в выпрямительных столбах, не требуется. «Любое число» последовательно соединённых стабилитронов возможно, но на практике ограничено техническими условиями на электробезопасность высоковольтных устройств. При соблюдении этих условий, при подборе стабилитронов по ТКН и их термостатировании возможно построение прецизионных высоковольтных эталонов напряжения. Например, в 1990-е годы лучшие в мире показатели стабильности имел стабилитронный эталон на 1 миллион В, построенный российской компанией «Мегавольт-Метрология» по заказу канадского энергетического института IREQ^[fr]. Основная погрешность этой установки не превышала 20 ppm, а нестабильность по температуре — не более 2,5 ppm во всём рабочем диапазоне температур^[36].

Составной стабилитрон

Составной стабилитрон (слева) и двусторонний («двуханодный») вариант этой схемы

Если схема требует снимать со стабилитрона бо́льшие токи и мощности, чем это допустимо по техническим условиям, то между стабилитроном и нагрузкой включают буферный усилитель постоянного тока. В схеме «составного стабилитрона» коллекторный переход единственного транзистора, усиливающего ток, включен параллельно стабилитрону, а эмиттерный переход — последовательно со стабилитроном. Сопротивление, задающее смещение транзистора, выбирается таким образом, чтобы транзистор плавно окрывался при токе стабилитрона, примерно равном его номинальному току стабилизации. Например, при I_ст.ном.=5 мА и U_бэ.мин.=500 мВ сопротивление R=500 мВ/5 мA=100 Ом, а напряжение на «составном стабилитроне» равно сумме U_ст.ном. и U_бэ.мин.. При бо́льших токах тразистор открывается и шунтирует стабилитрон, а ток стабилитрона прирастает незначительно — на величину, равную току базы транзистора, поэтому в первом приближении дифференциальное сопротивление схемы уменьшается в β раз (β — коэффициент усиления транзистора по току). ТКН схемы равен алгебраической сумме ТКН стабилитрона при I_ст.ном. и ТКН прямо смещённого диода (примерно −2 мВ/°C), а её область безопасной работы на практике ограничена ОБР применяемого транзистора^[94][95].

Схема составного стабилитрона не предназначена для работы на «прямом токе», но легко преобразуется в двустороннюю («двуханодный стабилитрон») с помощью диодного моста^[95].

Базовая схема последовательного стабилизатора

Простейшая схема последовательного стабилизатора и пример её практического воплощения^[96]

Простейшая схема последовательного стабилизатора также содержит только стабилитрон, транзистор и балластное сопротивление, но транзистор в ней включен по схеме с общим коллектором (эмиттерным повторителем). Температурный коэффициент такого стабилизатора равен алгебраической разнице U_ст.ном. стабилитрона и U_бэ.мин. транзистора; для нейтрализации влияния U_бэ.мин. в практических схемах последовательно со стабилитроном включают прямо включенный диод VD2^[97]. Минимальное падение напряжения регулирующем транзисторе можно снизить, заменив балластный резистор на транзисторный источник тока.

Умножение напряжения стабилизации

Схема параллельного стабилизатора на +200 В, 0…25 мА с умножением напряжения низковольтного стабилитрона. Взаимозаменяемые варианты с npn- и с pnp-транзистором

Для стабилизации напряжения, превосходящего максимальное напряжение типовых малогабаритных стабилитронов, можно собрать составной «высоковольтный стабилитрон», например, набрать напряжение 200 В из последовательно соединённых стабилитронов на 90, 90 и 20 В. Однако напряжение шумов и нестабильность такой схемы могут оказаться неприемлемо высоки, а фильтрация шума высоковольтной цепочки потребует дорогих, массивных конденсаторов. Существенно лучшие характеристики имеет схема с умножением напряжения единственного малошумящего низковольтного стабилитрона на напряжение 5…7 В. В этой схеме, также как и в обычном термокомпенсированном стабилитроне, опорное напряжение равно сумме напряжения пробоя стабилитрона и напряжения перехода база-эмиттер биполярного транзистора. Коэффициент умножения опорного напряжения определяется делителем R2-R3. Действительный коэффициент умножения несколько больше расчётного из-за ответвления тока в базу транзистора^[98].

По соображениям безопасности и простоты монтажа в стабилизаторе положительного напряжения удобнее применять pnp-транзистор, в стабилизаторе отрицательного напряжения — npn-транзистор. В таких конфигурациях коллектор силового транзистора электрически соединён с общим проводом и его можно крепить непосредственно к шасси без изолирующих прокладок. По соображениям доступности и себестоимости в стабилизаторах любой полярности проще и дешевле применять npn-транзисторы. При напряжениях и токах, типичных для ламповых усилителей, ёмкость конденсатора, шунтирующего стабилитрон, должна составлять несколько тысяч мкФ. При этом она не только фильтрует низкочастотный шум стабилитрона, но и обеспечивает плавное нарастание напряжения при запуске схемы. Как следствие, при включении питания возрастает тепловая нагрузка на последовательное сопротивление R1^[98].

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

Типичная схема включения термокомпенсированного стабилитрона с источником тока на маломощном МДП-транзисторе со встроенным каналом^[99]

Термокомпенсированные стабилитроны обычно питаются постоянным током от транзисторного или интегрального источника тока. Использование базовой схемы с балластным резистором не имеет смысла, так как даже при питании схемы стабилизированным напряжением нестабильность по току будет неприемлемо велика. Слаботочные стабилитроны на ток 1 мА обычно запитываются от источников тока на биполярных транзисторах, полевых транзисторах с p-n-переходом, стабилитроны на ток 10 мА — от источников тока на МДП-транзисторах со встроенным каналом в режиме обеднения. Интегральные источники тока семейства LM134/LM334 допускают токи до 10 мА, но не рекомендуются к применению в cхемах с током более 1 мА из-за высокой нестабильности по температуре (+0,336 %/°C)^[100].

Высокоомные нагрузки с постоянным, относительно термостабильным, сопротивлением можно подключать непосредственно к выводам стабилитрона. В иных случах между стабилитроном и нагрузкой включается буферный усилитель на прецизионном операционном усилителе или на дискретных биполярных транзисторах. В грамотно спроектированных схемах такого рода, прошедших длительную электротермотренировку, ГОСТ Р 52907-2008, определение 27″>нестабильность при длительной работе составляет порядка 100 ppm в месяц^[101] — существенно выше того же показателя прецизионных интегральных ИОН.

Генератор белого шума на стабилитроне

Соб

Стабилитрон

Стабилитрон — Пост электроники

Стабилитрон стабилизатор напряжения

В основе стабилизатора напряжения стабилитрона лежит особая характеристика стабилитрона. Когда стабилитрон работает в области пробоя или стабилитрона, напряжение на нем по существу остается постоянным при большом изменении тока через него. И именно эта характеристика стабилитрона позволяет использовать его в качестве стабилизатора напряжения.

Схема

стабилизатора напряжения на стабилитроне

Пока входное напряжение Vin больше напряжения стабилитрона VZ, стабилитрон работает в области пробоя и поддерживает постоянное напряжение на нагрузке.Последовательное ограничивающее сопротивление RS ограничивает входной ток.

Стабилитрон будет поддерживать постоянное напряжение на нагрузке, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения. По мере увеличения тока нагрузки ток стабилитрона уменьшается, так что ток через сопротивление RS остается постоянным. Поскольку выходное напряжение = Vin — IRS, а I постоянно, следовательно, выходное напряжение остается неизменным. Обратное будет верно, если ток нагрузки уменьшится. Схема также корректирует изменения входного напряжения.Если входное напряжение Vin
увеличится, через стабилитрон будет протекать больший ток, падение напряжения на RS увеличится, но напряжение нагрузки останется постоянным. Обратное будет верно, если входное напряжение уменьшится.

Недостатки стабилизатора напряжения на стабилитроне

• Имеет низкий КПД при больших токах нагрузки. Это связано с тем, что при большом токе нагрузки в последовательном ограничивающем сопротивлении будут значительные потери мощности.
• Выходное напряжение незначительно изменяется из-за импеданса стабилитрона как Vout = VZ + IZ ZZ.Изменения тока нагрузки вызывают изменения тока стабилитрона. Следовательно, изменяется и выходное напряжение. Поэтому использование этой схемы ограничено только такими приложениями, в которых изменения тока нагрузки и входного напряжения малы.

Условия, необходимые для правильной работы стабилизатора напряжения на стабилитроне

• Стабилитрон должен работать в области пробоя или регулируемой области, т.е. между IZ (макс.) И IZ (мин.). Ток IZ (мин) (обычно 10 мА) — это минимальный ток стабилитрона, чтобы перевести стабилитрон в состояние ВКЛ. I.е. регулирующий регион. Ток IZ (max) — это максимальный ток стабилитрона, который может проводить стабилитрон без разрушения из-за чрезмерного нагрева.
• Нельзя позволять стабилитрону превышать максимальную мощность рассеивания, иначе он будет разрушен из-за чрезмерного нагрева. Если максимальная рассеиваемая мощность стабилитрона PZ (max), а напряжение стабилитрона VZ, то

• Существует минимальное значение RL, чтобы стабилитрон оставался в регулируемой области i.е. область поломки. Если значение RL упадет ниже этого минимального значения, на стабилитроне не будет подходящего напряжения, чтобы направить его в область пробоя.

Вам могут понравиться следующие статьи

Сасмита

Привет! Я Сасмита. В ElectronicsPost.com я продолжаю свою любовь к преподаванию. Я магистр электроники и телекоммуникаций. И, если вы действительно хотите узнать обо мне больше, посетите мою страницу «О нас».Узнать больше

Стабилитроны

Регуляторы напряжения — Инструментальные средства

Стабилитроны могут использоваться для получения стабилизированного выходного напряжения с низкой пульсацией в условиях переменного тока нагрузки. Пропуская небольшой ток через диод от источника напряжения через подходящий токоограничивающий резистор (R _S ), стабилитрон будет проводить ток, достаточный для поддержания падения напряжения Vout.

Стабилитроны

широко используются в качестве шунтирующих регуляторов напряжения для регулирования напряжения на небольших нагрузках.Стабилитроны имеют резкое обратное напряжение пробоя, и напряжение пробоя будет постоянным для широкого диапазона токов. Таким образом, мы подключим стабилитрон параллельно нагрузке, чтобы приложенное напряжение сместило его в обратном направлении. Таким образом, если напряжение обратного смещения на стабилитроне превышает напряжение перегиба, напряжение на нагрузке будет постоянным.

Здесь мы обсуждаем устранение неисправностей стабилизаторов напряжения на основе стабилитронов.

Источник питания постоянного тока с стабилитроном

На рисунке ниже показан источник питания постоянного тока с фильтром, который выдает постоянное напряжение 24 В перед тем, как стабилизатор стабилизирует его до 15 В.Используется стабилитрон 1N4744A. Проверка регулируемого выходного напряжения без нагрузки показывает 15,5 В, как указано в части (а). Типичное напряжение, ожидаемое при испытательном токе стабилитрона для этого конкретного диода, составляет 15 В.

Рис. Испытание источника питания с стабилитроном

В части (b) подключен потенциометр для обеспечения переменного сопротивления нагрузки. Оно устанавливается на минимальное значение для испытания при полной нагрузке, как определено следующими расчетами.Испытание при полной нагрузке проводится при минимальном токе стабилитрона (IZK). Показание счетчика 14,8 В указывает приблизительно на ожидаемое выходное напряжение 15,0 В.

Корпус 1:

Открытие стабилитрона Если стабилитрон выходит из строя, проверка источника питания дает приблизительные результаты, указанные на рисунке. При проверке холостого хода, показанной в части (а), выходное напряжение составляет 24 В, потому что нет падения напряжения между фильтрованным выходом источника питания и выходной клеммой.Это определенно указывает на разрыв между выходной клеммой и землей. При проверке полной нагрузки напряжение 14,8 В является результатом действия делителя напряжения последовательного резистора на 180 Ом и нагрузки 291 Ом. В этом случае результат слишком близок к нормальному показанию, чтобы быть надежным индикатором неисправности. но проверка без нагрузки подтвердит проблему. Также, если RL изменяется, VOUT будет изменяться, если стабилитрон открыт.

Рис: Показания открытого стабилитрона

Корпус 2:

Неправильное напряжение стабилитрона Как показано на рисунке ниже, проверка холостого хода, которая приводит к выходному напряжению, превышающему максимальное напряжение стабилитрона, но меньшему, чем выходное напряжение источника питания, указывает на то, что стабилитрон вышел из строя, так что его внутреннее сопротивление больше, чем оно должно быть.Выходное напряжение 20 В в этом случае на 4,5 В выше ожидаемого значения 15,5 В. Это дополнительное напряжение указывает на неисправность стабилитрона или установку неправильного типа. Выход 0 В, конечно, указывает на короткое замыкание.

Цепи стабилизатора транзистора-стабилитрона

Рис. 1 Типовая схема стабилитрона.

, автор: Lewis Loflin

Обновлено, отредактировано в октябре 2016 года. В нем будут рассмотрены основные операции стабилитронов и их использование в качестве регуляторов напряжения.Они будут использоваться вместе с обычными биполярными транзисторами для увеличения выходного тока и могут использоваться студентами и любителями для реальных регуляторов напряжения. Нижеследующее предназначено только для информационных целей и не дает никаких гарантий.

Связанные — Эксперименты с шунтирующим стабилизатором TL431A типа регулируемого стабилитрона.

Видео на YouTube: Учебное пособие по стабилитронам.

Стабилитрон — это твердотельное устройство с двумя выводами, которое при прямом смещении будет проводить и действовать как любой другой кремниевый диод.Стабилитроны всегда используются в режиме обратного смещения, предназначенном для пробоя при определенном напряжении. На рис.1 показано базовое подключение стабилитрона.

Z1 и Rs включены последовательно, в то время как резистор нагрузки RL на 200 Ом параллельно Z1. Наш общий ток (Is) протекает через Rs и делится через Z1 (24 мА) и RL (51 мА). Z1 при 10,2 В поддерживает постоянное напряжение на RL, когда Vin изменяется в определенном диапазоне. Если Vin падает до 14 вольт, ток стабилитрона Iz падает, чтобы поддерживать напряжение на RL.Если Vin увеличивается, скажем, до 18 вольт, то ток стабилитрона Iz увеличивается, поддерживая напряжение на RL.

В любое время падение напряжения на Z1 плюс Rs всегда равно напряжению питания Vin, в то время как напряжение на RL, таким образом, IL постоянно. Если Rs слишком мало, чрезмерный ток приведет к перегреву Z1. Если Rs слишком велико, нам не хватает минимального тока Iz для поддержания регулирования напряжения. Обратите внимание на следующее:

 
Is = Iz + IL = 24 мА + 51 мА = 75 мА;
Rs = VRs / Is = 5,8 В / 75 мА = 77 Ом. 

Следующий вопрос заключается в том, какой ток эта схема может обеспечить нагрузке? Давайте посмотрим на проблему.

Рис. 2

На Рис. 2 мы видим исправно работающую схему стабилизации стабилитрона при Z1 = 5,1 В при напряжении питания 10 В. Но что происходит, если мы увеличиваем нагрузку от RL? Обратите внимание, что для правильной работы мы должны поддерживать минимальное значение Iz.

Рис. 3

На Рис. 3 мы понизили RL с 200 Ом до 150 Ом, увеличив IL.Хотя общий ток Rs остается неизменным, часть тока для Z1 (Iz) идет в RL, и мы находимся на грани отсутствия регулирования напряжения.

Рис. 4

На Рис. 4 RL теперь составляет 100 Ом и потребляет такой большой ток от Z1, что у нас больше нет никакого регулирования напряжения. Эта установка практически бесполезна в качестве источника питания, за исключением малых токов. Вот почему мы используем транзисторы вместе со стабилитронами.

Рис. 5

Чтобы обойти ограничения по мощности, мы используем транзистор с последовательным проходом.На рис. 5 NPN-транзистор с коэффициентом усиления Hfe или постоянного тока, равным 100, фактически «умножает» 1 мА от цепи стабилитрона до 100 мА. Причина, по которой я выбрал стабилитрон на 5,6 В, заключается в том, чтобы компенсировать падение 0,6 В на переходе B-E Q1. Да, вам нужен конденсатор емкостью 100 мкФ, чтобы пульсации источника питания не вызывали проблем. По мере того, как мы потребляем больше тока нагрузки, 99% тока происходит из Q1.

Рис. 6

На рис. 6 мы используем два NPN-транзистора в конфигурации Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом.Мне пришлось использовать стабилитрон на 13,2 В, чтобы компенсировать падение напряжения на двух переходах B-E.

Рис. 7

На Рис. 7 мы используем Дарлингтон, такой как TIP120, для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом.

Рис. 8

На Рис. 8 показан стабилизатор на стабилитроне для источника питания с отрицательной полярностью. Транзистор NPN был заменен транзистором PNP, а полярность стабилитрона и конденсатора 100 мкФ была изменена. Все текущие потоки тоже почитались.

На этом завершается введение в регулирование напряжения на основе стабилитронов.

Учебное пособие: Схемы транзисторно-стабилитронного стабилизатора

Уловки и подсказки для регуляторов напряжения серии LM78XX

Базовое руководство по устранению неисправностей источника питания

Что такое стабилитрон? — Работа, характеристики и применение

Определение : стабилитрон специально разработан для работы в зоне пробоя в условиях обратного смещения.Его еще называют пробивным диодом. Чтобы добиться резкого напряжения пробоя, он должным образом легирован. Американский ученый К. Зинер объяснил феномен пробоя.

В предыдущей статье мы обсуждали диоды. По механизму работы диоды можно разделить на разные типы. Таким образом, они разработаны по-разному для конкретных приложений.

Обозначение стабилитрона

В качестве переключающих элементов используются различные диоды: стабилитрон, туннельный диод, варакторный диод, диод Шоттки, силовые диоды и т. Д.В этой статье мы обсудим стабилитрон и его применение.

Конструкция стабилитрона

Существуют различные методы, которые используются для изготовления стабилитронов, такие как диффузная структура , диффузная структура , , и пассивированная структура и диффузная структура из сплава . В диффузной структуре стабилитрона две подложки N и P диффузировали вместе и имели металлические слои, нанесенные с обеих сторон для соединения анодных и катодных выводов с обеих сторон.

В пассивированной структуре стабилитрона края перехода покрыты слоем оксидов кремния.

Диффузные структуры из сплава имеют все стыки, покрытые слоем оксидов кремния для предотвращения стыков. В целом диффузионные структуры из сплавов дают лучшие характеристики при более низких напряжениях Зенера. Напротив, пассивированная и диффузная структура дает лучшие характеристики при более высоких напряжениях.

Принцип работы стабилитрона

Стабилитрон похож на обычный диод с PN переходом, за исключением того, что он правильно легирован для достижения резкого напряжения пробоя.Существует два типа механизмов, с помощью которых может происходить пробой в обратном PN-переходе: лавина и пробой стабилитрона .

Стабилитрон

Пробой стабилитрона происходит из-за высокого обратного напряжения. При приложении высокого обратного напряжения ширина обедненного слоя увеличивается. Из-за этого потенциальный барьер увеличивается и на стыке создается сильное электрическое поле. Это сильное электрическое поле разрывает ковалентную связь и генерируется большое количество неосновных носителей заряда.

Таким образом, ток внезапно увеличивается из-за движения неосновных носителей заряда и иногда приводит к пробою перехода. Это называется пробоем стабилитрона . Это наблюдается в диодах, у которых обратное напряжение на меньше 5 вольт.

Лавина

Механизм лавинного пробоя проявляется, когда обратное напряжение становится чрезвычайно высоким. При таком высоком обратном напряжении неосновные носители получают чрезвычайно высокую кинетическую энергию.Благодаря чему они легко отрывают электроны от ковалентной связи.

Таким образом, эти свободные электроны, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами, чтобы высвободить больше электронов. Таким образом, ток становится очень большим, что приводит к пробою диода. Лавинный пробой происходит, когда обратное напряжение становится выше 5В.

Стабилитрон может использовать любой из этих двух механизмов пробоя. Несмотря на то, что существует два типа механизма пробоя, все же предпочтительным является только имя Зенера.И кремний, и германий могут быть использованы для создания стабилитрона, но кремний часто используется, потому что он может работать при более высоких температурах, а токовая нагрузка кремния высока.

Вольт-амперные характеристики стабилитрона

Мы уже обсуждали ранее, что когда обратное напряжение увеличивается в определенной точке, происходит пробой перехода из-за большого обратного тока. Напряжение, при котором ток начинает быстро нарастать и достигается стадия пробоя, называется напряжением Зенера.Ток, который быстро увеличивается, называется Zener Current .

На диаграмме представлены вольт-амперные характеристики кремниевых и германиевых диодов. Он работает в области пробоя, а ток ограничивается динамическим сопротивлением, называемым импедансом Зенера. Величина напряжения стабилитрона зависит от количества легирования.

Прямые характеристики стабилитрона аналогичны характеристикам обычного диода с PN переходом. А вот обратные характеристики немного другие.При работе в зоне поломки не сгорает сразу. Пока ток через диод ограничен внешней цепью в допустимых пределах, он не перегорает.

Сильнолегированный диод будет иметь очень тонкий обедненный слой. Таким образом, напряжение стабилитрона будет очень низким. Таким образом, обедненный слой и напряжение стабилитрона можно контролировать с помощью концентрации легирования.

Импеданс стабилитрона: Это динамическое сопротивление стабилитрона.Он представлен r _z.

r _z = ΔV _z / Δ I _z

Применение стабилитрона

1. Стабилитрон как регулятор напряжения: Регулятор напряжения — это устройство, которое поддерживает постоянное выходное напряжение, не беспокоясь об изменении входного напряжения и тока нагрузки. Стабилитрон используется в качестве стабилизатора напряжения.

Напряжение питания Vs и сопротивление Rs рассчитаны таким образом, чтобы диод работал в области пробоя.Кроме того, резистор Rs используется для ограничения величины обратного тока через диод. Напряжение на диоде Vz, которое равно напряжению на нагрузке R _L , представляет собой напряжение стабилитрона V _z.

Кроме того, последовательный резистор Rs поглощает избыточный ток для поддержания постоянного выходного напряжения. Таким образом, стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение, устраняет влияние колебаний напряжения и обеспечивает регулировку напряжения.

2. Для операций переключения: Стабилитрон используется в качестве переключателя.Это из-за его способности производить переход от низкого тока к сильному. Таким образом, он используется как переключатель.

3. В качестве ограничителя: Стабилитрон используется в цепи формирования сигнала в качестве ограничителя. Он используется для ограничения формы входного сигнала в определенных приложениях.

4. В качестве эталонного элемента: В различных схемах эталонные элементы необходимы для сравнения напряжений с эталонным значением. Таким образом, в таких схемах в качестве эталонного элемента используется стабилитрон.

5. Защита счетчика: Стабилитрон используется в электронной схеме для защиты мультиметра. В некоторых случаях избыточный ток протекает по цепи и повреждает мультиметр. Таким образом, стабилитроны защищают его от повреждений, обеспечивая регулировку напряжения.

Стабилитрон

важен для использования в области пробоя. Благодаря своим легирующим характеристикам стабилитрон предназначен для использования при высоком пробивном напряжении.

Стабилитрон

и его функции в качестве регулятора напряжения

Стабилитрон — это тип полупроводникового диода.Как правило, нормальный диод с p- и n-переходом не работает или блокирует поток носителей заряда, в результате чего ток не наблюдается во время обратного смещения устройства. Следовательно, это состояние известно как поломка. Основная цель создания этого устройства — заставить устройство работать в режиме обратного смещения. Обычно он может работать как диод с p-n переходом в смещенном состоянии. В этом типе диодов существует два случая пробоя: один известен как лавинный пробой, а другой — как пробой стабилитрона.

Стабилитрон как теория регулятора напряжения

Назначение стабилитрона — стабилизировать значение выходного напряжения. Следовательно, его можно использовать как регулятор напряжения. Резистор, ограничивающий ток, подключен к нагрузке вместе со стабилитроном. Этот резистор отвечает за стабилизацию выхода.

В этом случае стабилитрон состоит из анода и катода в качестве выводов. Клеммный катод соединен с положительной стороной источника постоянного тока.Следовательно, это соединение известно как обратное смещение, и оно заставляет диод работать в состоянии обратного смещения.

Назначение резистора — ограничить максимальное протекание тока через цепь. Если нагрузка не запитана каким-либо источником, то очевидный ток нагрузки отсутствует. Таким образом, весь ток проходит через диод. Это приводит к максимальному рассеянию мощности.

После того, как нагрузка подключена параллельно таким образом, чтобы поддерживать одинаковую величину напряжения на резисторе и диоде.Для стабилизации напряжения в первую очередь необходимо ограничить ток, проходящий через диод, до минимального значения. Тогда только стабилизация напряжения становится более эффективной.

Максимальный предел тока определяется предоставленным номиналом. Но единственная проблема для таких схем состоит в том, что они имеют тенденцию генерировать шум при подаче постоянного тока. Но такой шум не влияет на работу стабилизации. Конденсатор также подключен к диоду, так что генерируемый выходной сигнал сглаживается, поскольку конденсатор действует как фильтр.

Регулировка нагрузки стабилитрона

Существует два типа регулирования: один с изменением напряжения, подаваемого на вход, известен как линейное регулирование, а другой — с сопротивлением нагрузки, известный как регулирование нагрузки.

Значение напряжения стабилизируется и регулируется в зависимости от переменных значений нагрузки. Но операция зависит от конечного диапазона. В зависимости от входного значения приложенного напряжения изменяется ток.

В целом, параллельное соединение резистора и конструкция стабилитрона предназначены для ограничения потока значения напряжения, чтобы изменения тока не влияли на устройство.Следовательно, в схеме защиты предпочтительнее, чтобы высокие токи и колебания тока не влияли на функциональность устройства. Стабилитрон идеально ведет себя при прямом смещении и возможности проведения при обратном смещении. Теперь вы можете перечислить, кроме регулирования напряжения, где использовался стабилитрон?

Как стабилитрон работает как регулятор напряжения? Силовая электроника A-Z

Стабилитрон:

Дизайн источника питания не означает разработку только сложного импульсного источника питания, даже линейный источник питания на основе стабилитрона (LPS) является своего рода конструкцией источника питания.
Он также называется стабилизатором напряжения на стабилитроне или просто стабилизатором напряжения на стабилитроне.

В этом посте мы увидим, как спроектировать стабилитрон шунтирующего регулятора? и Как выбрать компоненты, ограничения, недостатки и т. д.

Рекомендуется знать о стабилитроне: основы, работа, характеристики для правильного понимания стабилитрона напряжения.
Одним из простых линейных источников питания является стабилизатор стабилитрона.

Этот тип регулятора обычно используется для регулирования очень низкого напряжения при нагрузке менее 200 мВт.Последовательное сопротивление (R) помещается между более высоким напряжением ( _{В в} ) и используется для ограничения тока нагрузки и стабилитрона. Стабилитрон компенсирует изменение тока нагрузки.

Диоды, используемые в качестве стабилизаторов напряжения, называются стабилитронами. Обычный диод не будет эффективно работать как стабилитрон, и наоборот. Упрощенная типовая схема стабилизации стабилитрона показана ниже.

Эксплуатация:

• Предположим, стабилитрон рассчитан на В _Z = 18 В.
• Задачей стабилитрона является ограничение напряжения на нагрузке почти до 18 В, если напряжение питания составляет 18 В или более.
• При напряжении питания ниже 18 В стабилитрон не будет проводить. Выходное напряжение будет равно напряжению питания за вычетом падения напряжения на резисторе R. (то есть, V _S — V _R ).
• Если напряжение питания превысит 18 В, стабилитрон начнет проводить.
• Напряжение стабилитрона V _Z будет изменяться в зависимости от температуры.Это недостаток этого линейного блока питания. Характеристики дрейфа приведены во многих технических паспортах стабилитронов.
• Стабилитрон должен иметь соответствующую номинальную мощность, чтобы избежать перегорания.
• Ограничивающее напряжение зависит от конкретного используемого стабилитрона. Эти диоды доступны на рынке для любого разумного напряжения питания. Эти регуляторы напряжения доступны в виде микросхем.

Сводка:
V _{дюйм (мин)} > V _out +3

V _z = V _out

R = V _{дюйм (мин)} /1.1 I _{выход (макс.)}

P _{D (R)} = (V _{вход (макс)} — V _выход ) ² R

P _{D (Z)} = 1,1 В _z I _{выход (макс.)}

Стабилитрон неэффективен, если источник питания используется с оборудованием, потребляющим большой ток.
Когда источник питания должен обеспечивать большой ток, вместе с стабилитроном используется силовой транзистор, как показано ниже.

В _{дюйм (мин)} > В _{на выходе} +2.5V

R = V _{дюймов (мин).} ч _{FE (мин.)} / 1,2 I _{выход (макс.)}

В _z = В _выход + 0,6 В

• Последовательный транзистор (или проходной транзистор) работает в линейном область его вольт-амперных характеристик. т.е. действует как переменный резистор.
• Таким образом, на транзисторе происходит падение напряжения на самом себе.
• Это превышение напряжения известно как «запас» линейного регулятора, который имеет значение (В _в — В _или ).