Ток стабилизации стабилитрона: Стабилитрон — chipenable.ru

Стабилитрон — chipenable.ru

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

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

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

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

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

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

   Правая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено напряжение в прямом направлении. Левая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено обратное напряжение. Похожа на характеристику диода, но пробой (участок, где загибается график) у стабилитрона наступает гораздо раньше диода. Нас интересует левая часть графика.
   
   Вот мы подключили стабилитрон к источнику питания в обратном направлении и начинаем медленно повышать напряжение. Пока приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, оно растет, через стабилитрон течет незначительный ток утечки Io (микроамперы, а то и меньше), пробоя нет. На этом участке стабилитрон ведет себя как резистор с очень большим сопротивлением. 

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

   При дальнейшем повышении напряжения источника питания, ток через стабилитрон будет увеличиваться значительно, а напряжение нет. Стабилитрон ведет себя как резистор с маленьким сопротивлением. Это рабочий участок характеристики, где напряжение на стабилитроне, грубо говоря, постоянно.
   
   Снова повышаем напряжение, ток продолжает расти, стабилитрон начинает греться. Когда ток превысит максимально допустимое значение, стабилитрон перегреется и выйдет из строя.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

   Номинал резистора R1 рассчитывается по формуле:

R = (Uin — Uz)/(Iz + I)

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

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

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения | HomeElectronics

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

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

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

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

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

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

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

Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

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

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

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

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_СТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔU_CT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации Δi_CT.

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

Параметрический стабилизатор

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

Схема включения стабилитрона

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

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

Расчёт параметрического стабилизатора.

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

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = U_st – напряжение стабилизации;

выходной ток I_H = I_ST;

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

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

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

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

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

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

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_CT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_EB) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h31e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки I_Н.

Коэффициент стабилизации будет равен

где R_VT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где R_e и R_b – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

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

Последовательный стабилизаттор

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

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

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

Коэффициент стабилизации схемы

где R_k – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно k_ST ≈ 15…20.

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

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

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

Стабилитрон. Особенности практического применения. — Радиомастер инфо

Рассказано о назначении и применении стабилитронов, как проверить их исправность и основные параметры, чем и как можно заменить.

Сердцем практически любого стабилизатора напряжения является стабилитрон. Его основная функция поддерживать постоянное напряжение на выходе при изменении напряжения на входе. Информации на эту тему очень много. Я постараюсь ее систематизировать и подать максимально коротко, только то, что нужно для практики.

На схемах обозначаются так:

Выглядят, в основном, вот так:

Стабилитрон — специально изготовленный диод с особой воль-амперной характеристикой. Показать ее и пояснить нужно обязательно, для понимания принципа работы. Вот как она выглядит для обычного стабилитрона, например, Д814:

Когда на анод подают плюс, а на катод минус, то стабилитрон ведет себя как обычный диод. На рисунке прямая ветвь. При возрастании напряжения ток растет. Когда плюс подают на катод, а минус на анод, т.е. включают в обратном направлении, то характеристика стабилитрона, зависимость тока через него от приложенного напряжения, тоже кардинально меняется. Это хорошо видно по форме обратной ветви характеристики. Когда напряжение на стабилитроне достигает напряжения пробоя, cтабилитрон пробивается, но не перегорает, так как ток через него ограничен резистором. Этот резистор называется балластным.  Если не будет этого резистора, или его номинал подобран не правильно, то стабилитрон выйдет из строя. Величина сопротивления этого резистора подбирается таким образом, чтобы в диапазоне изменения входных напряжений ток через стабилитрон не выходил за допустимые для данного стабилитрона пределы Iст min Iст max. При этом напряжение на стабилитроне остается постоянным и равно напряжению стабилизации. Его величина для каждого типа стабилитрона своя. У двуханодных стабилитронов прямая ветвь такая же как и обратная только расположена справа вверху. В схемах двуханодный стабилитрон можно включать независимо от полярности входного напряжения. Это удобно для ограничения переменного напряжения по амплитуде.

Типовая схема включения стабилитрона на конкретном примере:

Параметры стабилитрона КС182 указаны в справочнике:

Напряжение стабилизации стабилитрона 8,2В. При этом ток стабилизации может изменяться от 3мА до 17мА.

Как правило, в расчетах рекомендуют брать минимальное напряжение на входе в 1,5 раза выше напряжения стабилизации. Получаем 12,3 В. Максимальное примем исходя из допустимого разброса напряжения сети 20%. Получаем 14,73 В. Номинал резистора по закону Ома можно посчитать вручную, но в интернете много онлайн калькуляторов для решения таких задач, например, вот этот:

При таких заданных параметрах получим ток в нагрузке от 0 до 12 мА, что соответствует максимальной мощности 0,1 Вт.

Сопротивление балластного резистора 340 Ом, его мощность 0,125 Вт.

Мощность стабилитрона 0,156 Вт.

Мощность, рассеиваемая на резисторе и стабилитроне, составляет в сумме 0,28 Вт. При этом мощность в нагрузке 0,1 Вт. КПД получается 36%. При больших мощностях это не рационально.

Теперь основные моменты из практики.

1. Как проверить исправность стабилитрона? Обычный стабилитрон проверяется как диод, т.е. прозванивается мультиметром и должен обладать односторонне проводимостью. Другое дело, стабилитрон двухстронний (или двуханодный) или стабилитрон с защитным диодом. Их прозвонить как диод не удастся. Они показывают обрыв в обе стороны. Проверяются только по методике, указанной в следующем пункте.
2. Проверка напряжения стабилизации. Перед проверкой нужно определиться с мощностью стабилитрона. Это можно сделать по внешнему виду. Если стабилитрон малых размеров и выводы тонкие, то это малая мощность с током стабилизации от 3 до 20 мА. Если корпус чуть больше и выводы толще, то это средняя мощность и ток стабилизации до 90 мА. Ну а мощный стабилитрон имеет большие размеры и возможность установки на радиатор. У него ток стабилизации до ампера и выше.

Есть еще одна особенность. Чем выше напряжение стабилизации стабилитрона, тем меньше ток стабилизации, так как определяющей в этом случае является рассеиваемая стабилитроном мощность. Так что для стабилитронов малой и средней мощности при проверке достаточно тока 10 мА, для большой мощности 20-30мА. Поэтому для большинства проверок стабилитронов с напряжением стабилизации до 30В  берем резистор 1-2 кОм и через него подключаем катод стабилитрона к плюсу регулируемого блока питания, анод соответственно к минусу.

Параллельно стабилитрону подключаем вольтметр. От нуля плавно повышаем напряжение и следим за показаниями вольтметра. Как только они перестали расти при увеличении напряжения блока питания снимаем показания вольтметра. Если напряжение перестало расти при значениях около 1В, значит перепутан анод и катод стабилитрона. Нужно их поменять местами и повторить процедуру. Значение напряжения, при котором прекратились увеличиваться показания вольтметра, и есть напряжение стабилизации. У двуханодных оно будет одинаковым при смене полярности подключения. У стабилитрона с диодом напряжение стабилизации при неправильном включении будет достаточно высоким, на практике выше напряжения блока питания. Теоретически оно будет равно обратному напряжению диода. Можно применять для проверки и нерегулируемый блок питания напряжением выше предполагаемого напряжения стабилизации стабилитрона. При подключении, как на схеме, измеренное напряжение на стабилитроне будет равно напряжению стабилизации стабилитрона. Если показания вольтметра равны напряжению блока питания, значит стабилитрон включен наоборот или имеет напряжение стабилизации выше напряжения блока питания.

3. В некоторых случаях очень важным параметром является температурный коэффициент напряжения стабилизации. Например, в автомобильном реле-регуляторе, которое управляет величиной напряжения в бортсети автомобиля. Если оно будет сильно изменяться в зависимости от температуры в моторном отсек, то выйдет из строя электрооборудование автомобиля. Следующий наглядный пример. В телевизорах и радиоприемниках в блоке формирования напряжения настройки на частоту принимаемого сигнала также недопустима зависимость напряжения от температуры, иначе сигнал будет плавать и пропадать. Именно поэтому в реле-регуляторах применяют стабилитроны типа Д818Е, а в блоках настройки телевизоров КС531. У первых температурный коэффициент составляет +0,001 %/град, у вторых ±0,005%/град. В то время, как у других, например, КС182 о которых упоминалось в начале статьи, температурный коэффициент составляет около 0,1 %/град. Это почти в 100 раз хуже. как правило, стабилитроны с хорошим температурным коэффициентом содержат внутренний диод, катод которого соединен с катодом стабилитрона. Температурный коэффициент этого диода имеет знак противоположный температурному коэффициенту самого стабилитрона. Таким образом достигается высокая температурная стабильность напряжения стабилизации.

Пока проверяемый стабилитрон подключен для проверки напряжения стабилизации по схеме п.2 этой статьи, можно его выводы подогреть паяльником, немного, градусов до 60-70 и понаблюдать за изменением напряжения на вольтметре. Разница между термостабильным стабилитроном и обычным будет очень заметна.

4. То, что основное назначение стабилитрона поддерживать постоянное напряжение на нагрузке при изменении входного напряжения и тока нагрузки уже понятно. Но тут есть особенность. Для эффективного выполнения этих задач, мощность нагрузки реально не должна превышать 30% от мощности, рассеиваемой на балластном резисторе и стабилитроне. Об этом уже было сказано в начале статьи. Для увеличения КПД и тока в нагрузке применяют транзисторы. Наиболее простая схема:

Если ток стабилитрона 10мА, а коэффициент усиления транзистора по току 100 раз, то ток в нагрузке будет 10х100=1000мА. Установив параллельно стабилитрону переменный резистор можно напряжение стабилизации в нагрузке изменять от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона.

5. Чем можно заменить стабилитрон или изменить напряжение стабилизации?

Обычный кремниевый диод включенный в прямом направлении может выполнять функции стабилитрона напряжением около 0,7 В. Для увеличения напряжения диоды можно включать последовательно с такими же диодами или стабилитроном, напряжение которого нужно немного увеличить. Германиевый диод, при прямом включении, стабилизирует напряжение около 0,5 В, светодиод, в зависимости от типа 2…3,2 В.

Примеры показаны ниже на фото:

Кремниевые транзисторы в диодном включении также могут выполнять функции стабилитрона напряжением 5…6 В. Причем можно использовать последовательное подключение транзистора с диодами, нескольких транзисторов, как показано ниже:

Если есть маломощный стабилитрон на нужное напряжение, а нужен более мощный, то можно использовать такую аналогию ( где VD1 маломощный стабилитрон):

R2 – балластный резистор. Напряжение стабилизации схемы равно напряжению стабилизации стабилитрона плюс напряжение б-э транзистора (0,7В у кремниевых и 0,5В у германиевых). Максимальный ток стабилизации схемы равен току стабилитрона, умноженному на коэффициент усиления транзистора по току (h₂₁). Используя такие схемы нельзя допускать превышения значений параметров применяемых элементов.

Если нужны высоковольтные стабилитроны на напряжения 120…180В (КС620А, КС630А, КС650А, КС680А), то можно использовать такие схемы:

Как источник стабильного тока используют германиевые диоды Д220, Д220А, Д219А которые имеют низкое дифференциальное сопротивление при обратном включении и обратном токе 0,1…10 мА. Понятно, что напряжение применяемого транзистора должно быть выше 180 В.

Материал статьи продублирован на видео:

Стабилитроны в стабилизаторах напряжения — РАДИОСХЕМЫ

Позвольте уважаемые предложить ещё немного полезной теории, так как практических конструкций на сайте Радиосхемы более чем достаточно. Рассмотрим стабилитроны в стабилизаторах напряжения. При смещении в прямом направлении стабилитрон ведет себя как обычный кремниевый диод с PN переходом, позволяя току течь от анода к катоду. Но в отличие от обычного диода, который блокирует ток при обратном смещении, при достижении определенного порога обратного напряжения стабилитрон начинает проводить ток в противоположном направлении. Пороговое напряжение для этого явления и называется напряжением стабилитрона. Давайте проанализируем несколько аспектов моделирования этих типов схем, которые используются в качестве стабилизаторов напряжения.

Когда напряжение приложенное к стабилитрону превышает пороговое значение, характерное для данного элемента, возникает в области обеднения полупроводников процесс, известный как лавинный пробой. В результате через него протекает большой ток, который ограничивает дальнейшее повышение напряжения. Во время этого процесса создаются электрические заряды в результате столкновения свободных электронов с атомами полупроводника, что, в свою очередь, приводит к выделению тепла и возможности необратимого повреждения устройства.

Но если диод изготовлен с очень тонкой и сильно легированной обедненной областью, можно генерировать обратный ток, создавая достаточно сильное электрическое поле в переходе. Этот процесс полностью обратимый и не повредит его. Точка на горизонтальной оси, от которой начинается стабилизация напряжения на стабилитроне, соответствует так называемому напряжению стабилитрона (VZ), значение которого может быть от единиц до нескольких сотен вольт. Наклон кривой проводимости и минимальное значение обратного тока, с которого запускается процесс, можно точно контролировать во время производственного процесса с допуском менее 1%, изменяя параметры легирования и изготовления.

Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Стабилитрон обеспечивает гораздо более высокий уровень стабильности питания, чем может быть достигнут, например, с помощью одной только схемы выпрямителя и фильтрующего конденсатора. В частности, за счет соответствующего легирования полупроводников можно получить практически вертикальный наклон кривой, получая стабилизированное напряжение с незначительной и постоянной пульсацией, которая не изменяется при изменении входного напряжения.

Далее показана схема простейшего стабилизатора напряжения, основанного на стабилитроне. Использовался стабилитрон с VZ = 12 В, а значение последовательного резистора R можно определить по формуле, как показано на рисунке, где Vi — входное напряжение, Vo — стабилизированное выходное напряжение (в данном случае 12 В), а IL — ток, потребляемый нагрузкой.

Без нагрузки (IL = 0) весь ток из схемы будет проходить через стабилитрон, который, в свою очередь, рассеивает его до максимальной своей мощности. Следовательно необходимо тщательно выбирать значение последовательного сопротивления, чтобы не превышать максимальную мощность, которую стабилитрон может рассеять когда к нему не подключена нагрузка. Эта схема способна генерировать ток не более десятков миллиампер, она часто используется для смещения базы транзистора или в качестве входа в операционный усилитель, тем самым получая более высокий выходной ток от стабилизатора.

На схеме показан стабилизатор на шунтирующем транзисторе, способный увеличивать мощность, подаваемую на нагрузку. Выходное напряжение VO определяется формулой: VO = VZ + VBE.

Стандартные напряжения стабилитронов

В продаже представлены стабилитроны с характеристическим напряжением от чуть более 1 В до нескольких сотен вольт. Для каждого значения напряжения обычно доступно одно или несколько значений мощности в диапазоне от чуть менее 0,5 Вт до более 5 Вт. Среди наиболее распространенных семейств стабилитронов — серия маломощных BZX55 с напряжением VZ от 2,4 В до 75 В и максимальной рассеиваемой мощностью до 500 мВт. Семейство силовых стабилитронов BZX85 также широко используется с напряжением VZ от 2,7 до 100 В и максимальной рассеиваемой мощностью до 1300 мВт. Про отечественные Д814 и Д815 говорить смысла нет, так как они уже сошли с радиолюбительской сцены.

Регулятор напряжения со стабилитроном

А это показан простейший пример стабилизатора со стабилитроном. Транзистор подключен как повторитель напряжения, а выходное напряжение примерно на 0,7 В ниже напряжения стабилитрона. Резистор R должен быть выбран таким образом, чтобы стабилитрон всегда был правильно смещен, а базовый ток Q1 был достаточным для перевода его в проводящее состояние. Чтобы ток на стабилитроне не упал до значения, не позволяющего проявиться свойствам стабилитрона, маломощный транзистор 2N2222 можно заменить транзистором Дарлингтона.

Что такое стабилизатор напряжения? Это усилитель постоянного тока с низким выходным сопротивлением, усиливающий опорное напряжение.

Стабилитрон это опорное напряжение, а эмиттерный повторитель является усилителем постоянного тока с коэффициентом усиления меньше 1. Обычно тут применяют транзисторы, но можем добиться большего используя операционный усилитель в качестве усилителя постоянного тока. Так получим намного лучшие параметры стабилизатора.

Это схема — повторитель — с очень точным коэффициентом усиления 1. Вход неинвертирующий не потребляет ток, поэтому он не влияет на значение тока стабилитрона.

Можно конечно при необходимости сделать усилитель с коэффициентом усиления больше 1. Далее показана схема с коэффициентом усиления 3. Коэффициент
усиления определяется по формуле:

ku = R1 + R2 / R2

Тут Ku = 3. Таким образом, выходное напряжение равно + Uz x 3. Изменяя номиналы резисторов, можем изменить коэффициент усиления и можем установить желаемое выходное напряжение. Номиналы резисторов не являются критичными, они могут быть в диапазоне от 1k до 100k, потому что инвертирующий вход тоже не потребляет ток.

Стабилитрон (Диод Зенера) — Принцип работы, ВАХ, сфера применения

Стабилитрон – это особый тип диодов, которые также называются зенеровскими. У этого типа есть главная особенность – при подаче напряжения, выше определенного номинала, увеличивается ток на выходе. Диод Зенера, который имеет и другое название – стабилитрон, имеет вид диода, который работает в режиме пробоя обратного смещения перехода. До этого, через него проходит небольшой ток, а утечка очень маленькая, что обуславливается большим сопротивлением.

При пробое, номинал тока моментально возрастает, так как его сопротивление в данный отрезок времени несколько долей Ом. В статье изложены принцип работы, где используются и какие функции они выполняют в современной радиоэлектронике. По теме диодов Зенера в статье представлены два интересных видеоролика и подробная научная статья бонусом для читателя.

Диоды Зенера или стабилитрона.

Принцип работы стабилитрона

Стабилитрон называют диодом Зенера (от англ. Zener diode) в честь ученого, впервые открывшего явление туннельного пробоя, американского физика Кларенса Мэлвина Зенера (1905 — 1993). Открытый Зенером электрический пробой p-n перехода, связанный с туннельным эффектом, явлением просачивания электронов сквозь тонкий потенциальный барьер, называется теперь эффектом Зенера, который и служит сегодня в полупроводниковых стабилитронах. Физическая картина эффекта заключается в следующем. При обратном смещении p-n перехода энергетические зоны перекрываются, и электроны могут переходить из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области, благодаря электрическому полю, это повышает количество свободных носителей заряда, и обратный ток резко возрастает.

Таким образом, главным назначением стабилитрона является стабилизация напряжения. Промышленностью выпускаются полупроводниковые стабилитроны с напряжениями стабилизации от 1,8 В до 400 В, большой, средней и малой мощности, которые отличаются максимально допустимым обратным током. На этой базе изготавливают простые стабилизаторы напряжения. На схемах стабилитроны обозначаются символом похожим на символ диода, с тем лишь отличием, что катод стабилитронов изображается в форме буквы «Г». Стабилитроны скрытой интегральной структуры, с напряжением стабилизации около 7 В — это самые точные и стабильные твердотельные источники опорного напряжения: лучшие их экземпляры характеристически близки к нормальному гальваническому элементу Вестона (эталонный ртутно-кадмиевый гальванический элемент).

Стабилитрон.

К стабилитронам особого типа относятся высоковольтные лавинные диоды («TVS-диоды» и «супрессоры»), которые широко применяются в цепях защиты от перенапряжений всевозможной аппаратуры. Как видим, стабилитрон, в отличие от обычного диода, работает на обратной ветви ВАХ. В обычном диоде, если к нему приложить обратное напряжение, может возникнуть пробой по одному из трех путей (или по всем сразу): туннельный пробой, пробой лавинный и пробой вследствие теплового разогрева токами утечки. Тепловой пробой кремниевым стабилитронам не важен, ибо они проектируются так, чтобы или туннельный, или лавинный пробой, либо оба типа пробоя одновременно наступали задолго до тенденции к тепловому пробою.

Серийные стабилитроны на данный момент изготавливаются преимущественно из кремния. Пробой при напряжении ниже 5 В — проявление эффекта Зенера, пробой выше 5 В — проявление лавинного пробоя. Промежуточное напряжение пробоя около 5 В, как правило, является результатом сочетания двух этих эффектов. Напряженность электрического поля в момент пробоя стабилитрона составляет около 30 МВ/м. Пробой стабилитрона происходит в умеренно легированных полупроводниках р-типа и сильно легированных полупроводниках n-типа. При повышении температуры на стыке уменьшается срыв стабилитрона и вклад лавинного пробоя увеличивается.

Стабилитрон на схеме.

Характеристики диода Зенера

Стабилитроны имеют следующие типичные характеристики. Vz – напряжение стабилизации. В документации указываются два значения для этого параметра: максимальное и минимальное значение напряжения стабилизации. Iz – минимальный ток стабилизации. Zz – сопротивление стабилитрона. Izk и Zzk– ток и динамическое сопротивление при постоянном токе. Ir и Vr — максимальный ток утечки и напряжение при заданной температуре. Tc — температурный коэффициент. Izrm — максимальный ток стабилизации стабилитрона.

Стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений (опорных напряжений) в стабилизаторах на транзисторах. Для получения малых образцовых напряжений стабилитроны включают и в прямом направлении, как обычные диоды, тогда напряжение стабилизации одного стабилитрона будет равно 0,7 – 0,8 вольт.

Максимальная рассеиваемая корпусом стабилитрона мощность, обычно лежит в диапазоне от 0,125 до 1 ватта. Этого, как правило, достаточно для нормальной работы цепей защиты от импульсных помех и для построения маломощных стабилизаторов.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

Немного теории

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-).  Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое “стабильность”. На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный – это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся. Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа  радиоэлектронной аппаратуры.  Если оно изменится в меньшую,  или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура  в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем. Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать “играющее” напряжение.

Устройство полупроводникового диода.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так: Вывод с “кепочкой” называется также как и у диода – катод, а другой вывод – анод. Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева  популярный вид современного стабилитрона, а справа один из  образцов Советского Союза. Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно  увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится  катод, а где анод.

Материал по теме: Что такое реле контроля.

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. 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:

Обозначение стабилитрона.

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).

Стабилитрон.

Заключение

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

В статье разобраны все аспекты работы стабилитрона. Более детальную информацию можно узнать в статье Лабораторная работа по диодам Зенера. Более подробно об этом можно узнать, прочитав статью Что такое генератор Ганна.В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.electricalschool.info

www.ruselectronic.com

www.ustroistvo-avtomobilya.ru

Предыдущая

ПолупроводникиЧто такое варикап?

Следующая

ПолупроводникиЧто такое фотодиод

Вольтамперная характеристика и параметры стабилитрона

Вольт-амперная характеристика — стабилитрон

Вольт-амперная характеристика стабилитрона ( рис. 2.5, в) имеет вид, типичный для прибора тлеющего разряда. Большая площадь катода позволяет получить значительный рабочий участок в пределах от / min — 5 ма до / тах 30 ма, а у некоторых стабилитронов — от 10 до 60 ма.
 

Вольт-амперная характеристика стабилитрона ( рис. 2 — 33) аналогична характеристике обычного полупроводникового диода. Отличие состоит лишь в том, что пробой обратным напряжением не приводит к разрушению прибора, а является нормальным рабочим режимом. Если обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, меньше напряжения стабилизации t / CT, то сопротивление диода велико и ток по его цепи не протекает. При больших значениях напряжения через стабилитрон будет протекать ток, определяемый сопротивлением внешней цепи и разницей между приложенным напряжением и напряжением стабилизации.
 

Вольт-амперная характеристика стабилитрона ( рис. 11 — 16, а) соответствует области пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики перехода. Как было показано в § 10 — 5, напряжение в случае лавинного1 или туннельного пробоя зависит от удельного сопротивления полупроводников, образующих переход. Используя пластины п — Si с различной концентрацией примесей, можно изготовить стабилитроны с различными значениями Unp0e, соответствующими переходу в область лавинообразного роста обратного тока, а следовательно, и с различными значениями напряжения стабилизации. При использовании высоколегированного n — Si при напряжениях пробоя 27Проб 6 В преобладает туннельный пробой; при С проб — 5 — г — 7 В наряду с туннельным развивается и лавинный пробой, который при С / проб 7 В становится доминирующим.
 

Из вольт-амперной характеристики стабилитрона ( рис. 10 6) видно, что в пределах от / a.
 

Как выглядит вольт-амперная характеристика стабилитрона.
 

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона имеет такой же вид, как и у обычного диода. Падение прямого напряжения при токах, больших 1 ма, составляет около 0 7 — 0 8 в. Это свойство стабилитронов широко используется для взаимной компенсации температурных изменений напряжения стабилизации. У включенных последовательно стабилитрона, работающего в нормальном режиме, и одного или нескольких стабилитронов в прямом направлении суммарный температурный коэффициент напряжения может быть сведен практически к нулю. Например, для термокомпенсации одного стабилитрона с напряжением С / ст 8 — г — 8 5 в потребуются три стабилитрона, включенных в прямом направлении. По такому принципу изготавливаются особо стабильные стабилитроны с ТКН до 0 0005 %, не уступающие по свойствам нормальным элементам третьего-второго классов.
 

В прямом направлении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов. Поэтому при изменении в широких пределах тока через прибор падение напряжения на нем практически не изменяется. Это свойство кремниевых диодов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения.
 

В прямом направлении вольт-амперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода. Обратная ветвь ее имеет вид прямой вертикальной линии, проходящей почти параллельно оси токов.
 

Таким образом, вид вольт-амперной характеристики стабилитрона обеспечивает необходимое изменение сопротивления Rv регулирующего элемента.
 

На рис. 5 — 40 представлена

Параметрический стабилизатор — основные параметры

В маломощных схемах на нагрузку до 20 миллиампер применяется устройство с малым коэффициентом действия, и называется параметрическим стабилизатором. В устройстве таких приборов имеются транзисторы, стабилитроны и стабисторы. Они применяются в основном в компенсационных устройствах стабилизации в качестве опорных источников питания. Параметрические стабилизаторы в зависимости от технических данных могут быть 1-каскадными, мостовыми и многокаскадными.

Стабилитрон в устройстве прибора подобен подключенному диоду. Но обратный пробой напряжения больше подходит для стабилитрона и является базой его нормальной работы. Эта характеристика нашла популярность для разных схем, где необходимо создавать ограничение сигнала входа по напряжению.

Такие стабилизаторы являются быстродействующими приборами, и защищают участки с повышенной чувствительностью от импульсных помех. Применение таких элементов в новых схемах является показателем их повышенного качества, которое обеспечивает постоянное функционирование в разных режимах.

Схема стабилизатора

Базой этого прибора является схема подключения стабилитрона, применяющаяся и в других видах приборов вместо источника питания.

Схема включает в себя делитель напряжения из балластного сопротивления и стабилитрона, к которому параллельно подключена нагрузка. Устройство выравнивает напряжение на выходе при переменном питании и нагрузочном токе.

Действие схемы происходит следующим образом. Напряжение, повышающееся на входе прибора, вызывает повышение тока, который проходит через сопротивление R1 и стабилитрон VD. На стабилитроне напряжение остается постоянным из-за его вольтамперной характеристики. Поэтому не меняется и напряжение на нагрузке. В итоге все преобразованное напряжение будет приходить на сопротивление R1. Такой принцип действия схемы позволяет сделать расчет всех параметров.

Принцип действия стабилитрона

Если стабилитрон сравнивать с диодом, то при подключении диода в прямом направлении по нему может проходить обратный ток, который имеет незначительную величину в несколько микроампер. При повышении обратного напряжения до некоторой величины возникнет пробой электрический, а если ток очень велик, то произойдет и тепловой пробой, поэтому диод выйдет из строя. Конечно, диод может работать при электрическом пробое при снижении тока, проходящего через диод.

Стабилитрон спроектирован так, что его характеристика на участке пробоя имеет повышенную линейность, а разность потенциалов пробоя достаточно стабильна. Стабилизация напряжения с помощью стабилитрона выполняется при его функционировании на обратной ветви свойства тока и напряжения, а на прямой ветке графика стабилитрон работает как обычный диод. На схеме стабилитрон обозначается:

Параметры стабилитрона

Его главные параметры можно увидеть по характеристике напряжения и тока.

• Напряжение стабилизации является напряжением на стабилитроне при прохождении тока стабилизации. Сегодня производятся стабилитроны с таким параметром, равным 0,7-200 вольт.
• Наибольший допустимый ток стабилизации. Он ограничен величиной наибольшей допустимой мощности рассеивания, которая зависит от температуры внешней среды.
• Наименьший ток стабилизации, рассчитывается наименьшей величиной тока, протекающего через стабилитрон, при этом сохраняется действие стабилизатора.
• Дифференциальное сопротивление – это величина, равная отношению приращения напряжения к малому приращению тока.

Стабилитрон, подключенный в схеме как простой диод в прямом направлении, характеризуется величинами постоянного напряжения и наибольшим допустимым прямым током.

Расчет параметрического стабилизатора

Добротность функционирования прибора вычисляется по коэффициенту стабилизации, который вычисляется по формуле: Кст U = (ΔUвх / Uвх) / (ΔU вых / Uвых).

Далее расчет стабилизатора с применением стабилитрона производится в сочетании с балластным резистором в соответствии с типом применяемого стабилитрона. Для расчета используются рассмотренные ранее параметры стабилитрона.

Определим порядок расчета на примере. Возьмем исходные данные:

• U вых=9 В;
• I н =10мА;
• ΔI н = ±2мА;
• ΔU вх = ± 10% Uвх

По справочнику подбираем стабилитрон Д 814Б, свойства которого:

• U ст = 9 В;
• I ст. макс = 36 мА;
• I ст. мин = 3 мА;
• R д = 10 Ом.

Далее вычисляется входное напряжение: Uвх = nст *Uвых, где nст – коэффициент передачи. Функционирование стабилизатора станет эффективнее, если этот коэффициент будет в пределах 1,4-2. Если nст =1,6, то U вх= 1,6 * 9 = 14,4 В.

На следующем шаге производится расчет балластного резистора. Используется формула: R о = (U вх – U вых) / (I ст + I н). Величина тока I ст выбирается: I ст ≥ I н. При изменении U вх на величину Δ Uвх и Iн на ΔIн, не может быть больше тока стабилитрона величин I ст. макс и I ст. мин. Поэтому, I ст берется в качестве среднего допустимой величины в этом интервале и равно 0,015 ампер.

Значит, балластный резистор равен: R о = (14,4 – 9)/(0,015+0,01 )= 16 Ом. Ближнее стандартное значение составляет 220 Ом. Для выбора типа сопротивления, выполняется расчет рассеиваемой мощности на корпусе. Применяя формулу Р = I*2 R о, определяем величину Р = (25*10-3) * 2 * 220 = 0,138 ватт. Другими словами, стандартная мощность сопротивления равна 0,25 ватт.

Поэтому лучше подойдет сопротивление МЛТ — 0,25 — 220 Ом. После осуществления расчетов необходимо проверить правильность выбора режима действия стабилитрона в схеме параметрического прибора. В первую очередь определяется его наименьший ток: Iст. Мин = (U вх – ΔU вх – U вых) / Rо – (I н + ΔI н), с практическими параметрами определяется величина I ст.мин = (14,4–1,44–9) * 103 / 220–(10+2) = 6 миллиампер.

Такая же процедура производится для вычисления наибольшего тока: I ст. макс=(Uвх+ΔUвх–Uвых)/Rо–(Iн–ΔIн). По исходным параметрам, наибольший ток составит: Iст.макс=(14,4 + 1,44 – 9) * 103 / 220–(10 – 2)=23 миллиампер. Если в результате вычисленные значения наименьшего и наибольшего тока превосходят допустимые границы, то необходимо заменить I ст или резистор R о. Иногда требуется замена стабилитрона.

Что такое стабилитрон? Принцип работы, типы и применение стабилитрона в качестве регулятора напряжения, ограничителя формы сигнала и переключателя напряжения

Введение

Диоды обычно известны как устройства, которые позволяют протекать току в одном направлении (с прямым смещением) и оказывают сопротивление потоку тока при использовании с обратным смещением. Стабилитрон (названный в честь американского ученого Ч. Зенера, который первым объяснил его принципы работы), с другой стороны, не только пропускает ток при прямом смещении, но и пропускает ток при использовании в обратное смещение, пока приложенное напряжение превышает напряжение пробоя , известное как напряжение пробоя стабилитрона .Или другими словами Напряжение пробоя — это напряжение, при котором стабилитрон начинает проводить в обратном направлении.

Принцип работы стабилитрона:

В обычных диодах напряжение пробоя очень велико, и диод полностью выходит из строя, если приложено напряжение выше пробивного диода, но в стабилитронах напряжение пробоя не такое высокое и не приводит к необратимому повреждению стабилитрона. если напряжение приложено.

Когда обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, увеличивается до указанного значения Напряжение пробоя (Vz), через диод начинает течь ток, известный как ток стабилитрона , и этот процесс известен как Лавинный пробой . Ток увеличивается до максимума и стабилизируется. Этот ток остается постоянным в более широком диапазоне приложенного напряжения и позволяет стабилитрону выдерживать более высокое напряжение без повреждения.Этот ток определяется последовательным резистором.

Рассмотрим изображения ниже нормального диода в действии .

Чтобы показать срабатывания стабилитрона , рассмотрим два эксперимента (A и B) ниже.

В эксперименте A стабилитрон 12 В подключен с обратным смещением, как показано на изображении, и можно увидеть, что стабилитрон эффективно блокировал напряжение, потому что оно было меньше / равно напряжению пробоя конкретного стабилитрона и лампа при этом осталась выключенной.

В эксперименте B , используемый стабилитрон 6 В проводит (загорается лампочка) с обратным смещением, потому что приложенное напряжение больше, чем его напряжение пробоя, и, таким образом, показывает, что область пробоя является областью работы стабилитрона. .

Кривая вольт-амперной характеристики стабилитрона представлена ​​ниже.

Из графика можно сделать вывод, что стабилитрон, работающий в режиме обратного смещения, будет иметь довольно постоянное напряжение независимо от величины подаваемого тока.

Применение стабилитрона:

Стабилитроны

используются в трех основных приложениях в электронных схемах;

1. Регулирование напряжения

2. Ограничитель формы сигнала

3. Переключатель напряжения

1. Стабилитрон как регулятор напряжения

Это, пожалуй, наиболее распространенное применение стабилитронов.

Это применение стабилитронов в значительной степени зависит от способности стабилитронов поддерживать постоянное напряжение независимо от изменений в питающем токе или токе нагрузки.Основная функция устройства регулирования напряжения заключается в том, чтобы обеспечивать постоянное выходное напряжение на нагрузку, подключенную параллельно к нему, независимо от изменений энергии, потребляемой нагрузкой (ток нагрузки), или изменений и нестабильности напряжения питания.

Стабилитрон обеспечивает постоянное напряжение при условии, что ток остается в диапазоне максимального и минимального обратного тока.

Принципиальная схема стабилитрона , используемого в качестве стабилизатора напряжения , показана ниже.

Резистор R1 соединен последовательно со стабилитроном, чтобы ограничить величину тока, протекающего через диод, и входное напряжение Vin (которое должно быть больше, чем напряжение стабилитрона). подключается параллельно, как показано на рисунке, и выходное напряжение Vout снимается на стабилитроне с Vout = Vz (напряжение стабилитрона). Поскольку характеристики обратного смещения стабилитрона необходимы для регулирования напряжения, он подключается в режиме обратного смещения, при этом катод подключается к положительной шине цепи.

Следует проявлять осторожность при выборе номинала резистора R1 , так как резистор небольшого номинала приведет к большому току диода при подключении нагрузки, и это увеличит требования к рассеиваемой мощности диода, которые могут стать выше максимума. номинальной мощности стабилитрона и может повредить его.

Номинал используемого резистора можно определить по формуле, приведенной ниже.

R  1  = (V  в  - V  Z ) / I  Z 

Где;
R1 - значение последовательного сопротивления.Vin - входное напряжение.
Vz, который совпадает с Vout, является напряжением Зенера.
И Iz - это стабилитрон. 

Используя эту формулу, легко убедиться, что номинал выбранного резистора не приводит к протеканию тока выше, чем может выдержать стабилитрон.

Одна небольшая проблема, с которой сталкиваются схемы стабилизатора на основе стабилитронов, заключается в том, что стабилитрон иногда генерирует электрический шум на шине питания, пытаясь регулировать входное напряжение.Хотя это может не быть проблемой для большинства приложений, эту проблему можно решить, добавив к диоду развязывающий конденсатор большой емкости. Это помогает стабилизировать выход стабилитрона.

2. Стабилитрон как ограничитель формы сигнала

Одно из применений нормальных диодов — применение схем ограничения и ограничения , которые представляют собой схемы, которые используются для формирования или изменения формы входного переменного тока или сигнала , создавая выходной сигнал другой формы в зависимости от технических характеристик машинка для стрижки или кламмера.

Схемы ограничителей в целом представляют собой схемы, которые используются для предотвращения выхода выходного сигнала схемы за пределы предварительно определенного значения напряжения без изменения какой-либо другой части входного сигнала или формы волны.

Эти схемы вместе с фиксаторами широко используются в аналоговых телевизионных и FM радиопередатчиках для устранения помех (схемы ограничения) и ограничения шумовых пиков путем отсечения высоких пиков.

Поскольку стабилитроны обычно ведут себя как обычные диоды , когда приложенное напряжение не равно напряжению пробоя, они также используются в схемах ограничения.

Схемы ограничения могут быть разработаны для ограничения сигнала в положительной, отрицательной или обеих областях . Хотя диод естественным образом отсекает другую область при 0,7 В, независимо от того, был ли он разработан как положительный или отрицательный.

Например, рассмотрим схему ниже.

Схема ограничителя предназначена для ограничения выходного сигнала на уровне 6,2 В, поэтому был использован стабилитрон на 6,2 В. Стабилитрон предотвращает выход выходного сигнала за пределы напряжения стабилитрона независимо от формы входного сигнала.Для этого конкретного примера использовалось входное напряжение 20 В, а выходное напряжение при положительном размахе составляло 6,2 В, что соответствовало напряжению стабилитрона. Однако во время отрицательного колебания напряжения переменного тока стабилитрон ведет себя так же, как и обычный диод, и ограничивает выходное напряжение на уровне 0,7 В, как и обычные силиконовые диоды.

Чтобы реализовать схему ограничения для отрицательного размаха цепи переменного тока, а также для положительного размаха таким образом, чтобы напряжение ограничивалось на разных уровнях при положительном и отрицательном размахе, используется схема ограничения с двойным стабилитроном.Принципиальная схема схемы ограничения двойного стабилитрона показана ниже.

В приведенной выше схеме ограничения напряжение Vz2 представляет собой напряжение на отрицательном размахе источника переменного тока, при котором выходной сигнал желательно ограничить, в то время как напряжение Vz1 представляет собой напряжение на положительном размахе источника переменного тока, при котором выходной сигнал напряжение желательно ограничить.

3. Стабилитрон в качестве переключателя напряжения

Сдвигатель напряжения — одно из самых простых, но интересных применений стабилитрона.Если у вас был опыт, особенно с подключением датчика 3,3 В к MCU 5 В, и вы воочию видели ошибки в показаниях и т. Д., Которые могут привести к ним, вы оцените важность переключателей напряжения. Сдвигатели напряжения помогают преобразовывать сигнал из одного напряжения в другое. и способность стабилитрона поддерживать стабильное выходное напряжение в области пробоя делает их идеальным компонентом для работы.

В стабилизаторе на основе стабилитрона схема понижает выходное напряжение на значение, равное напряжению пробоя конкретного используемого стабилитрона.Принципиальная схема переключателя напряжения показана ниже.

Рассмотрим эксперимент ниже,

Схема описывает стабилизатор напряжения на стабилитроне на 3,3 В. Выходное напряжение (3,72 В) схемы определяется путем вычитания напряжения пробоя (3,3 В) стабилитрона из входного напряжения (7 В).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 — 3,3 = 3,7 В

Переключатель напряжения, описанный ранее, имеет несколько применений в проектировании современных электронных схем, так как инженеру-проектировщику может потребоваться время от времени в процессе проектирования работать с тремя различными уровнями напряжения.

Типы стабилитронов:

Стабилитроны

подразделяются на типы на основе нескольких параметров, в том числе:

1. Номинальное напряжение
2. Рассеиваемая мощность
3. Ток прямого привода
4. Прямое напряжение
5. Тип упаковки
6. Максимальный обратный ток

Номинальное напряжение

Номинальное рабочее напряжение стабилитрона также известно как напряжение пробоя стабилитрона, в зависимости от области применения, для которой диод будет использоваться, это часто является наиболее важным критерием при выборе стабилитрона.

Рассеиваемая мощность

Это максимальная мощность, которую может рассеять ток стабилитрона. Превышение этой номинальной мощности приводит к чрезмерному повышению температуры стабилитрона, что может повредить его и привести к выходу из строя устройств, подключенных к нему в цепи. Таким образом, этот фактор следует учитывать при выборе диода с учетом его использования.

Максимальный ток стабилитрона

Это максимальный ток, который может проходить через стабилитрон при напряжении стабилитрона без повреждения устройства.

Минимальный ток стабилитрона

Это относится к минимальному току, необходимому для начала работы стабилитрона в области пробоя.

Все остальные параметры, которые служат спецификацией диода, должны быть полностью рассмотрены, прежде чем будет принято решение о типе стабилитрона, необходимого для этой специфической конструкции.

Заключение:

Вот 5 моментов, которые нельзя забывать о стабилитроне.

1. Стабилитрон похож на обычный диод только тем, что он имеет резкое пробивное напряжение.
2. Стабилитрон поддерживает стабильное выходное напряжение независимо от входного напряжения, если не превышается максимальный ток стабилитрона.
3. При прямом смещении стабилитрон ведет себя так же, как обычный силиконовый диод. Он проводит с тем же падением напряжения 0,7 В, которое сопровождает использование обычного диода.
4. Рабочее состояние стабилитрона по умолчанию находится в области пробоя (обратное смещение).Это означает, что он фактически начинает работать, когда приложенное напряжение выше, чем напряжение стабилитрона при обратном смещении.
5. Стабилитрон в основном используется в приложениях, связанных с регулированием напряжения, схемами ограничения и переключателями напряжения.

.Цепь транзисторного стабилитрона

для стабилизации высокого тока

Цепь высокомощного «стабилитрона» с использованием транзисторного шунтирующего стабилизатора, представленная здесь, может быть использована для безопасного получения высокоточных, стабилизированных по температуре и напряжению выходных сигналов от сильноточных источников.

Нормальное ограничение стабилитрона

Маломощные стабилитроны, которые мы обычно используем в электронных схемах, предназначены для работы с малыми токами и поэтому не могут использоваться для шунтирования или стабилизации источников высокого тока.

Хотя доступны стабилитроны с более высокими номиналами, они могут быть относительно дорогими. Тем не менее, на самом деле можно сделать настраиваемый высокомощный стабилитрон, используя силовые транзисторы и ИС шунтирующего стабилизатора, как показано ниже:

Принципиальная схема

Использование шунтирующего регулятора

Глядя на рисунок, мы можем увидеть участие специализированная ИС шунтирующего стабилизатора в виде LM431 или TL431, которая в основном представляет собой регулируемый стабилитрон малой мощности.

Помимо атрибута переменного напряжения, устройство также включает в себя функцию создания выходного сигнала со стабилизацией температуры, что означает, что температурные условия окружающей среды не будут влиять на производительность этого устройства, что невозможно с обычными диодами.

Но с точки зрения допустимой мощности устройство TL431 не лучше, чем его аналог на традиционном стабилитроне.

Однако, когда он комбинируется с силовым транзистором, таким как показанный TIP147, устройство превращается в универсальный силовой стабилитрон, способный шунтировать и стабилизировать источники сильного тока без повреждения.

Пример приложения

Классический пример применения этой схемы можно визуализировать в этой схеме шунтирующего регулятора мотоцикла, конструкция которой используется для маневрирования и защиты генератора переменного тока мотоцикла от высоких обратных ЭДС.

Эту конструкцию можно также попробовать в сильноточных емкостных источниках питания для получения стабилизированного выхода без перенапряжения от этих небезопасных, но компактных бестрансформаторных источников питания.

Другие подходящие применения этой универсальной схемы могут быть для управления выходами ветряных мельниц и в качестве электронного контроллера нагрузки для регулирования выходов гидрогенераторов.

Без интеграции TIP147 каскад LM431 выглядит довольно уязвимым, а также регулирование разрабатывается только на аноде / катоде устройства, а не на основных клеммах питания.

Управление высокой мощностью

При интегрированном силовом транзисторе сценарий полностью меняется, и теперь транзистор имитирует результаты работы шунтирующего стабилизатора, шунтируя высокий ток со входа на правильные уровни, как указано в конфигурациях LM431.

потенциала делитель производится с использованием 3K3 и 4K7 резисторов на опорном входе интегральной схемы по существу, определяют порог срабатывания для IC, как правило, верхний резистор может быть изменен для получения любого желаемого стабилитрона стабилизированных выходного напряжения от цепи транзистора.

Подробные расчеты резисторов можно узнать из этого паспорта шунтирующего регулятора TL431.

Примечание: TIP147 должен быть установлен на достаточно большом радиаторе с оребрением для обеспечения надлежащего и оптимального функционирования схемы.

О Swagatam

Я инженер-электронщик (dipIETE), любитель, изобретатель, разработчик схем / печатных плат, производитель. Я также являюсь основателем веб-сайта: https://www.homemade-circuits.com/, где я люблю делиться своими инновационными идеями и руководствами по схемам.
Если у вас есть какие-либо вопросы, связанные со схемами, вы можете взаимодействовать с ними через комментарии, я буду очень рад помочь!

.

Схемы и дизайн стабилитронов »Электроника

Есть много кремниевого стабилитрона цепи от источника опорного напряжения цепей до тех обеспечения защиты напряжения переходной.

Учебное пособие по стабилитронам / эталонным диодам Включает:
стабилитрон
Теория работы стабилитрона
Технические характеристики стабилитрона
Схемы на стабилитронах

Другие диоды: Типы диодов

диодов Зенера или опорное напряжения диоды используются в различных схемы, чтобы они могли обеспечить опорное напряжение.Они также могут быть использованы в других схемах, кроме простого предоставления опорного напряжения.

Существует множество схем, в которых используются стабилитроны, от очень простых схем на стабилитронах до гораздо более сложных.

Несколько примеров схем на стабилитронах приведены ниже вместе с некоторыми советами по проектированию схем.

Простой диод Зенера схема обеспечивает опорное напряжение

Самая простая схема стабилитрона состоит из одного стабилитрона и резистора.Диод Зенера обеспечивает опорное напряжение, но последовательный резистор должен быть на месте, чтобы ограничить ток в диод в противном случае большое количество тока будет протекать через него, и он может быть разрушен.

Следует рассчитать номинал резистора в цепи стабилитрона, чтобы получить требуемое значение тока для используемого напряжения питания. Обычно максимальная рассеиваемая мощность большинства свинцовых стабилитронов малой мощности составляет 400 мВт. В идеале схема должна быть спроектирована так, чтобы рассеивать менее половины этого значения, но для правильной работы ток в стабилитроне не должен опускаться ниже примерно 5 мА, иначе они не будут регулироваться правильно.

Основное опорное напряжение диода Зенера цепи

Схемотехника Пример

Возьмем случай, когда схема на стабилитроне используется для питания регулируемой шины 5,1 В, потребляющей 2 мА, от источника входного напряжения 12 В. Для расчета необходимого резистора можно использовать следующие простые шаги:

1. Рассчитайте разницу напряжений на последовательном резисторе 12 — 5,1 = 6,9 В
2. Определите ток резистора. Выберите 15 мА.Это обеспечит достаточный запас выше минимального тока стабилитрона для некоторых колебаний тока нагрузки.
3. Проверить рассеиваемую мощность стабилитрона. При токе 15 мА и напряжении на рассеиваемой мощности: 15 мА x 5,1 вольт = 76,5 мВт
   Это вполне соответствует максимальному пределу для диода

.

4. Определите ток через последовательный резистор. Это 15 мА для стабилитрона плюс 2 мА для нагрузки, то есть 17 мА.
5. Определите номинал последовательного резистора.Используя закон Ома, это можно рассчитать, исходя из падения напряжения на нем и полного тока через него: 6,9 / 17 мА = 0,405 кОм
   Ближайшее значение — 390 Ом
6. Определите мощность последовательного резистора. Это можно определить, используя рассчитанное ранее значение тока через резистор и напряжение на нем: В x I = 6,9 В x 17 мА = 117 мВт
   Резистор должен рассеивать этот уровень тепла. Для этого должно хватить резистора на четверть ватта.

Этот простой диод Зенера схема широко используется в качестве простого способа предоставления опорного напряжения.

Схема стабилитрона для БП с последовательным транзистором

Очень простая схема на стабилитроне, обеспечивающая функцию шунтирующего стабилизатора, как показано выше, не особенно эффективна и неприменима для многих приложений с более высокими токами. Одним из решений является использование схемы стабилитрона, в которой используется транзисторный буфер, который действует как транзистор с последовательным проходом.Ниже показана простая схема, в которой транзистор используется как эмиттерный повторитель.

Схема простого регулятора напряжения на стабилитроне

При использовании этой схемы на стабилитроне необходимо рассчитать ток, требуемый от датчика потенциала стабилитрона. Это ток эмиттера транзистора, деленный на коэффициент усиления.

При выборе напряжения стабилитрона следует помнить, что напряжение эмиттера будет ниже напряжения стабилитрона на величину напряжения база-эмиттер — около 0.6 вольт для кремниевого транзистора.

Схема стабилитрона для защиты от перенапряжения

Другой формой схемы стабилитрона является схема защиты от перенапряжения. Эта схема на стабилитроне использует стабилитрон немного по-другому, обнаруживая ток пробоя через диод при достижении определенного напряжения.

Хотя источники питания обычно надежны, последствия отказа последовательного транзистора или полевого транзистора могут быть катастрофическими. Если устройство последовательной передачи выйдет из строя в результате короткого замыкания, полное нерегулируемое напряжение будет подаваться на цепи с использованием регулируемой мощности.Это может уничтожить все микросхемы, на которые подается питание.

Одно из решений — использовать схему с ломом. Когда эта форма схемы обнаруживает ситуацию перенапряжения, она запускает SCR. Это быстро снижает выходное напряжение и, в показанном примере, перегорает предохранитель, отключающий питание входного источника.

Схема защиты от перенапряжения на стабилитроне / тиристоре

Схема работает за счет срабатывания тринистора при обнаружении перенапряжения. Стабилитрон выбирается так, чтобы иметь напряжение выше нормального рабочего напряжения — достаточный запас, чтобы не срабатывать при нормальных рабочих условиях, но достаточно малый, чтобы позволить току течь быстро при обнаружении неисправности.

В нормальных рабочих условиях выходное напряжение ниже обратного напряжения стабилитрона, и через него не течет ток, а затвор SCR не срабатывает.

Однако, если напряжение поднимается выше допустимого напряжения, то есть напряжения пробоя стабилитрона, стабилитрон начинает проводить ток, тиристор срабатывает и предохранитель перегорает.

Наконечники стабилитронов

Стабилитрон — очень гибкий и полезный компонент схемы. Однако, как и в случае с любым другим компонентом электроники, есть несколько советов и подсказок, которые позволяют сделать из стабилитрона наилучшее.Их количество приведено ниже.

• Буферная схема стабилитрона с помощью схемы эмиттера или истокового повторителя: Чтобы напряжение на стабилитроне было как можно более стабильным, ток, протекающий через стабилитрон, должен быть постоянным. Любые колебания тока, потребляемого нагрузкой, должны быть минимизированы, так как они изменят ток через стабилитрон и вызовут небольшие колебания напряжения. Изменения, вызванные нагрузкой, можно минимизировать, используя каскад схемы эмиттерного повторителя для уменьшения тока, потребляемого от схемы стабилитрона, и, следовательно, наблюдаемых изменений.Это также имеет то преимущество, что можно использовать стабилитроны меньшего размера.
• Привод с источником постоянного тока для лучшей стабильности: Еще один способ улучшить стабильность стабилитрона — использовать хороший источник постоянного тока. Простая схема, в которой используется только резистор, подходит для многих приложений, но более эффективный источник тока может обеспечить некоторые улучшения характеристик схемы, поскольку ток может поддерживаться практически независимо от любых изменений в шине питания.
• Выберите правильное напряжение для лучшей стабильности: В тех случаях, когда изменения требуется стабильность температуры, стабилитрон опорного напряжения диод должен быть выбран, чтобы иметь напряжение около 5,5 вольт. Ближайшее предпочтительное значение — 5,6 В, хотя 5,1 В — еще одно популярное значение, учитывая его близость к 5 В, требуемым для некоторых семейств логики. Там, где требуются разные уровни напряжения, можно использовать стабилитрон на 5,6 В, а окружающую электронику можно использовать для преобразования его в требуемое выходное значение.
• Обеспечьте достаточный ток для обратного пробоя: Необходимо убедиться, что через диод проходит достаточный ток, чтобы он оставался в режиме обратного пробоя. Для типичного устройства мощностью 400 мВт необходимо поддерживать ток около 5 мА. Для получения точных значений минимального тока следует обращаться к таблице данных для конкретного устройства и напряжения. Если этот минимальный ток не подается, диод не будет проводить должным образом, и вся цепь не будет работать.
• Убедитесь, что максимальные пределы тока для стабилитрона не превышены: Хотя необходимо обеспечить прохождение достаточного тока через стабилитрон, максимальные пределы не должны превышаться. Это может быть немного уравновешивающим действием в некоторых схемах, так как изменения тока нагрузки будут вызывать изменение тока стабилитрона. Следует соблюдать осторожность, чтобы не превышать максимальный ток или максимальную рассеиваемую мощность (напряжение стабилитрона x ток стабилитрона). Если это кажется проблемой, можно использовать схему эмиттерного повторителя для буферизации стабилитрона и увеличения допустимого тока.

Стабилитроны очень просты в использовании, поэтому существует большое количество различных схем стабилитронов. При использовании с некоторыми мерами предосторожности они работают хорошо, но иногда могут вызывать некоторые проблемы, но следование указанным выше советам и рекомендациям поможет избежать большинства проблем.

Другие электронные компоненты:
Резисторы
Конденсаторы
Индукторы
Кристаллы кварца
Диоды
Транзистор
Фототранзистор
Полевой транзистор
Типы памяти
Тиристор
Разъемы
Разъемы RF
Клапаны / трубки
Аккумуляторы
Переключатели
Реле

Вернуться в меню «Компоненты».. .

.

Принцип работы стабилитрона

В этой статье я объясню принцип работы стабилитрона. В этом я объясняю работу стабилитрона как в прямом, так и в обратном направлении. Я также проиллюстрировал его работу вместе с кривой характеристик V-I.

Эти специальные диоды при переключении в прямом или прямом направлении работают как обычные кремниевые диоды. Свои особые свойства они проявляют при работе в обратном или обратном направлении.Здесь диоды имеют очень ограниченное напряжение пробоя с резким увеличением тока. Диоды легированы таким образом, что при определенных условиях возможна постоянная работа в области резкого подъема барьерных характеристик без разрушения детали. Эти свойства особенно просты в используемых схемах стабилизации напряжения.
Прорыв стоп-зоны достигается за счет стабилизации специальным диодным легированием. Это могут быть диоды с пробивным напряжением от 2 до 200 вольт.От определенного обратного напряжения внезапно становится доступно много носителей. Это наблюдение можно объяснить двумя эффектами: эффектом Зинера и лавинным эффектом.

Эффект Зенера

В высоколегированных кремниевых диодах напряжение пробоя в выключенной области меньше 5 вольт, обеспечивает эффект Зенера для увеличения тока. В барьерном слое напряженность электрического поля настолько велика, что они создают электронные парные связи, разрываются в кристаллической решетке ассоциации определенного напряжения.В барьерном слое носители заряда, составляющие эффект Зинера. В этом случае берется электрическая проводимость барьерного слоя и сопротивление дифференциального перехода уменьшается.

Эффект лавины

Для пробивных напряжений более 6 вольт приводит к тому, что слаболегированный кремниевый лавинный диод или лавинный эффект вызывает высвобождение носителей заряда в барьерном слое. Носители заряда ускоряются электрическим полем с более высоким напряжением блокировки. При столкновении с электронами связи атомной решетки больше электронов выбивается на свободу.Они также ускоряются и могут снова повернуться, высвобождая электроны. Этот процесс ударной ионизации еще называют лавинным эффектом.
Оба эффекта, стабилитрон и лавинный эффект, перекрываются и разрушают полупроводник, если не соблюдаются определенные ограничения. Операции в барьерном слое обратимы. В зоне пробоя нельзя превышать максимальный ток. Рассчитывается мертвый полупроводник из допустимой потери мощности P. Эти значения определяются способностью отводить тепловую энергию от кристалла.

На рисунке показаны характеристики некоторых стабилитронов. В полосе пропускания эти диоды ведут себя как обычные кремниевые диоды. В области запирания, где катод положительный по отношению к аноду, может наблюдаться резкое увеличение тока в зависимости от типа диода от определенного напряжения.
Диоды, которые включаются за счет эффекта Зенера, имеют более пологую характеристическую кривую и менее резкий изгиб в области напряжения пробоя. В стабилитронах с повышенным напряжением пробоя лавинный эффект есть.Характеристическая кривая более крутая и имеет резкий изгиб на UZ.

Картина нарисована для диодов, максимальная мощность которых составляет 1 Вт. Рабочий диапазон этого Z-диода находится между I и IZmin Zmax, определяется гиперболой P-tot. Минимальный ток IZ не может быть определен по формулам zmin. Его необходимо считать по характеристической кривой, или вы можете использовать эталонный тест, который составляет 10% от максимального тока IZmax.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона определяется крутизной характеристики срабатывания в области пробоя.

Температурная зависимость Z-диода

Полупроводники являются термисторами и имеют отрицательный температурный коэффициент. Значение его сопротивления уменьшается с повышением температуры, напряжение на компоненте уменьшается. Точно так же стабилизационные диоды, использующие эффект Зенера. Их температурный коэффициент отрицательный. С повышением температуры напряжение Z уменьшается. Эти диоды имеют высокую степень легирования и, следовательно, очень тонкий барьерный слой.Таким образом, критическая напряженность поля, вызывающая эффект Зенера, достигается уже при низком напряжении. Подача энергии за счет повышения температуры способствует разрыву электронных парных связей в кристаллической структуре.
Z-диоды, в которых лавинный эффект является основной причиной, однако, имеют положительный температурный коэффициент. Они слабо легированы, поэтому их стык шире. Критическая напряженность поля для эффекта Зенера выше. Однако блокирующего напряжения достаточно для ускорения более широкого пограничного слоя некоторых неосновных носителей до такой степени, что они побеждают за счет ударной ионизации более свободные электроны.Этот лавинный эффект вызывает перенос заряда через барьерный слой.

Повышение температуры увеличивает ненаправленное движение электронов и, следовательно, уменьшает их длину свободного пробега. Это противодействует усилению лавинного эффекта и увеличивает сопротивление барьерного слоя. Следовательно, напряжение стабилитрона увеличивается с ростом температуры.

Область перехода двух триггерных эффектов составляет от 5 до 6 вольт. Стабилитроны с напряжениями пробоя, которые в значительной степени не зависят от температуры.У вас также самая крутая характеристическая кривая в рабочем пространстве и, следовательно, наименьшее дифференциальное сопротивление и, следовательно, лучшие свойства стабилизации.

.