Стабилитрон принцип действия

Стабилитрон: подробно простым языком

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

Схема стабилитрона

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

Стабилитроны и стабисторы: классификация, устройство, принцип и режимы работы, основные параметры, применение

• Информация
• Сертификаты
• Вопрос-ответ
• Справочники

• Информация
• Сертификаты
• Вопрос-ответ
• Справочники

Стабилитроны и стабисторы: классификация, устройство, принцип и режимы работы, основные параметры, применение

Стабилитрон

Стабилитроном называется радиокомпонент, конструктивно напоминающий диод, но кардинально отличающийся от него характером функционирования. Ключевым элементом так же, как и в обычном полупроводниковом вентиле, является полупроводниковый p-n-переход. И реакции обоих элементов на подачу обратного напряжения схожи – они оба запираются. Разница заключается в том, что пробой p-n-переходной зоны, который наступает при достижении обратным смещением некоего критического значения и выводит диод из строя, для стабилитрона является рабочим режимом.

Основа функциональности стабилитрона состоит в том, что при довольно больших изменениях обратного тока напряжение на элементе остаётся практически неизменным. Другими словами, насколько бы существенным ни было обратное смещение, радиокомпонент будет поддерживать постоянный уровень выходной разности потенциалов. Эта стабилизированное напряжение может использоваться в качестве опорного, что и находит применение в реальных радиоэлектронных устройствах, критичных к электрическим характеристикам сигнала.

Туннельный и лавинный пробой

Пробой p-n-перехода, при котором работают стабилитроны, может быть лавинным или туннельным. Они являются электрическими и носят обратимый характер. То есть при отключении обратного смещения физико-химические свойства полупроводников восстанавливаются, и диод продолжает исполнять свои функции. Однако в случае стабилитронов условия возникновения пробоя создаются и поддерживаются искусственно.

В основе лавинного и туннельного пробоя лежат одноимённые квантовые эффекты, наблюдаемые в кристаллической структуре полупроводника при возбуждении электрического поля. При разной природе и механизмах данных процессов их последствия одинаковы – электроны приобретают энергию, достаточную для прохождения через p-n-переход. Возникает пробой, и через диод начинает протекать обратный ток.

Именно в этом режиме и работает стабилитрон. При этом существует различие между радиокомпонентами, в которых используются разные эффекты. Стабилитроны, функционирующие при лавинном пробое, оперируют разностями потенциалов свыше 7 Вольт. В элементах, рассчитанных на напряжение стабилизации 3-7 Вольт, провоцируется туннельный пробой. Для стабилизации более низких разностей потенциалов применяются стабисторы, о которых мы расскажем ниже.

Классификация стабилитронов

В настоящее время выпускается широкая номенклатура стабилитронов, но вся их масса классифицируется по функциональным характеристикам и конструкции. В зависимости от параметров данные радиокомпоненты подразделяются на следующие классы:

1. прецизионные;
2. двуханодные;
3. быстродействующие.

Прецизионные отличаются высокой точностью стабилизации напряжения. Отклонения стабилизируемой разности потенциалов на выходе такой детали не превышают 0,0001%. Точность сильно зависит от времени жизни прецизионного стабилитрона и температуры полупроводника. В связи с этим в отношении этих радиокомпонентов введены эксплуатационные нормы, которые должны постоянно контролироваться в процессе использования аппаратуры.

Двуханодный стабилитрон исполняет функцию двух стабилитронов, включенных встречно. Это позволяет элементу обрабатывать сигналы и с одинаковой эффективностью обрабатывать напряжения разной полярности. Такая радиодеталь изготавливается в едином технологическом цикле, когда на одном кристалле кремния выращивается два встречных p-n-перехода, но, в принципе, роль двуханодного радиокомпонента могут играть и два дискретных стабилитрона, взаимно соединённых катодами.

И, наконец, стабилитроны третьего типа – быстродействующие – отличаются пониженной барьерной ёмкостью, вследствие чего сокращается продолжительность переходных процессов, протекающих в полупроводнике. Эти радиокомпоненты являются наилучшим решением для работы с импульсными сигналами. Конструктивная особенность данных элементов состоит в небольшой ширине p-n-перехода, которая обеспечивается применением особой технологии легирования полупроводника.

Стабистор

Немного по-другому функционируют радиокомпоненты, называемые стабисторами, о которых мы говорили выше. Они исполняют ту же функцию, то есть стабилизируют выходное напряжение, но являются низковольтными. Обычные стабилитроны не способны оперировать малыми разностями потенциалов. При напряжениях до 3 Вольт не возникает условий ни для лавинного, ни для туннельного пробоя p-n-перехода. Для стабилизации меньших напряжений прибегают к другому решению, а именно к использованию не обратного, а прямого смещения.

Установлено, что в сильно легированном p-n-переходе дырки и электроны рекомбинируют таким образом, что при значительном прямом токе наблюдается эффект стабилизации выходного напряжения на уровне 2,5-3 Вольт. Это обуславливает ключевое технологическое различие стабилитронов и стабисторов. Вторые предназначены для работы только в низковольтных радиосхемах.

Применение стабилитронов и стабисторов

Хорошие стабилизирующие свойства стабилитронов и стабисторов обуславливают основную сферу применения этих радиокомпонентов – создание фиксированного питающего и опорного напряжения в различных радиоэлектронных устройствах. На первом месте по распространённости стоят стабилитроны, используемые в источниках питания. Применение этих специализированных диодов обеспечивает стабильные выходные параметры питающего напряжения и одновременно упрощает схему.

В блоках питания с повышенными требованиями по точности выходных характеристик находят применение прецизионные стабилитроны. Эти элементы устанавливаются в высокоточной измерительной аппаратуре и аналого-цифровых преобразователях. Двуханодные стабилитроны используются в подавителях импульсных помех. Данные радиокомпоненты в реальных схемах нередко сочетаются с импульсными диодами. Быстродействующие стабилитроны в сочетании с СВЧ-диодами применяются в аппаратуре, работающей на сверхвысоких частотах – передатчиках, радиолокаторах и так далее.

Основные параметры

1. Напряжение стабилизации;
2. Ток стабилизации;
3. Разброс напряжения стабилизации;
4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации;
5. Временная нестабильность напряжения стабилизации;
6. Дифференциальное сопротивление;
7. Минимальный ток стабилизации;
8. Максимальный ток стабилизации;
9. Рассеиваемая мощность;
10. Максимально-допустимая температура корпуса;
11. Максимально-допустимая температура перехода.

Стабилитрон или диод Зенера

Полупроводниковый прибор, каким является диод Зенера или как его еще называют стабилитрон , служит для стабилизации напряжения на выходе.

Принцип действия стабилитрона

Принцип работы прибора заключается в подаче на диод через резистор запирающего напряжения, величина которого превышает величину напряжения пробоя самого диода. До того времени, пока не наступил момент совершения пробоя, через стабилитрон идут токи утечки величина, которых очень незначительна, в тоже время сопротивление прибора очень высокое.

В момент совершения пробоя величина тока резко повысится, а значение дифференцированного сопротивления понизится до самых малых величин. Благодаря этому свойству режим пробоя характеризуется стабильным значением напряжения в широких границах обратного тока. Иными словами стабилитрон служит для распределения тока резистора, на который приходится избыток напряжения, а также тока, составляющего полезную нагрузку.

Рис. №1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона. Для работы стабилитрона используются участки ВАХ, на которых при существенных изменениях тока, напряжение практически не изменяется, что бывает при обратном подключении прибора на участке электрического пробоя.

Рис.№2. Стабилитрон с резистором

Рис. №3. Стабилитрон, состоящий из двух последовательно-встречно подключенных диодов, служит для ограничения напряжения обеих полярностей.

Основа действия прибора строится на двух механизмах – это туннельный пробой и p-n-переход, его называют эффект Зенера и лавинный пробой p-n-перехода.

Основные электрические параметры, характеризующие стабилитрон

Рис. №4. Электрические характеристики важные для стабилитрона.

Пояснение главных величин, которые характеризуют стабилитрон:

• Стабилизирующее напряжение – U раб, оно соответствует средней точке в месте стабилизации. Напряжение стабилизации – средняя величина между минимальным и предельно-максимальным значением стабилизируемого напряжения.
• Минимальный ток стабилизации, для этого значения осуществляется лавинный пробой p-n-перехода обратимого действия, он неизменно соответствует минимальному значению стабилизируемого напряжения.
• Максимальный предельно-допустимый ток стабилитрона.
• Ток стабилизации или прямой ток, он определяется, как – Iст.ном = Imax – Imin. (он способен выдержать в течение продолжительного отрезка времени p-n-переход без термического разрушения.
• Температурный коэффициент – величина, которая служит для определения отношения изменяющейся температуры окружающей среды при токе неизменной величины. Для каждого типа стабилитрона свойствен свой коэффициент температуры.
• Дифференциальное сопротивление – величина, которая зависит от приращения стабилизационного напряжения к приращению тока в определенном диапазоне частоты.
• Рассеиваемая мощность – величина мощности, обеспечивающей необходимую надежность и рассеиваемую на стабилитроне.

Типы стабилитронов

Существует три основных типа стабилитронов:

1. Прецизионные стабилитроны – для них свойственно наличие повышенной стабильности напряжения. Пример: 2С191 или КС211.
2. Двухсторонние – ограничивают и стабилизируют двухполярное напряжение. Пример: 2С170А или 2С182А.
3. Быстродействующий стабилитрон – пониженная величина барьерной емкости и небольшая работа переходного процесса – это делает возможным работать в области кратковременных импульсов напряжений. Это такие стабилитроны: 2С175Е; КС182Е; 2С211Е.

Распределение по мощности – это мощные и маломощные стабилитроны.

Особенности использования стабилитронов

Для использования стабилитронов, особенно российских производителей не желательна работа вне зоны пробоя, что является следствием повышения, со временем, тока утечки. Например, на стабилитрон рассчитанный на U15 В, не рекомендуется подавать отличное от расчетного значение напряжения, по крайней мере необходимо следить за минимальным током стабилизации.

Во время неудачного разброса напряжений, при выборе его к предельному значению, может произойти перегрев устройства и возникает режим пробоя.

Нежелательно подключать стабилитроны в сеть в качестве предохранителя, последствия для стабилитрона будут плачевны, при превышении значения тока они выйдут из строя. Для защиты лучше всего использовать, в некоторых случаях, специализированные стабилитроны (супрессоры) марки ZY5.6. Установка стабилитрона (диода Зенера) в цепь низковольтного питания крайне нежелательно из того, что туннельный пробой при U обладает отрицательным температурным коэффициентом.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения

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

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

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;

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 h21e, 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.

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 принцип работы

Стабилитрон — сильно легированный кремниевый кристаллический диод, пропускающий ток в прямом направлении так же, как и обычный диод. Он также позволяет току идти в обратном направлении, когда уровень приложенных к полупроводнику потенциалов превышает определенное значение, известное как U пробоя или напряжение колена Зенера.

Устройство сначала назвали в честь американского ученого Кларенса Зенера, который описал в своей работе свойство разрушения электрических изоляторов.

Открытый американским физиком Зенером электрический пробой p-n перехода, связанный непосредственно с туннельным эффектом, явлением просачивания электронов сквозь тонкий слой потенциального барьера, назвали эффектом Зенера

Физическая картина эффекта Зенера состоит в том, что при обратном смещении p-n перехода энергетические зоны начинают блокироваться, и свободные электроны могут перетекать из валентной зоны p-области в зону проводимости n-типа, благодаря электрическому полю, это повышает число свободных носителей заряда, и обратный ток стабилитрона резко увеличивается.

Таким образом, главной задачей стабилитрона является стабилизация напряжения. Электронная промышленность выпускает их на номинальные напряжения от 1,8 В до 400 Вольт, большой, средней и малой мощности, которые отличаются максимально допустимым обратным током.

На принципиальных схемах стабилитроны обозначаются символом похожим на знак полупроводникового диода, с тем лишь небольшим отличием, что их катод изображается в форме русской буквы «Г».

Стабилитроны скрытой интегральной структуры, со стабилизацией 7 В — это самые стабильные и точные твердотельные источники опорного напряжения: лучшие их представители по своим свойствам близки к нормальному гальваническому элементу Вестона (эталонный ртутно-кадмиевый гальванический элемент).

Разновидностью стабилитронов можно считать «суппрессоры», «TVS-диоды», их основная задача защита электроаппаратуры.

Полупроводниковые стабилитроны появились где-то во второй половине 50-х годов прошлого века. Различают дискретные стабилитроны общего назначения — разной мощности. Прецизионные стабилитроны, в.т.ч термокомпенсированные и со скрытой структурой; Подавители импульсных помех («ограничительные диоды», «суппрессоры»).

Прежде всего, следует помнить о том, что стабилитроны работают только в цепях постоянного тока. Напряжение на него подают в обратной полярности, то есть на анод будет подан минус, а на катод соответственно плюс. При таком включении через него течет обратный ток (I_обр). Входное U его может изменяться, а на стабилитроне будет изменяться только обратный ток, а вольты на нагрузке останутся постоянными, то есть стабильными. На рисунке ниже показана вольт-амперная характеристика диода Зенера.

Основным принципом работы стабилитрон является то, что он работает на обратной ветви Вольт-амперной характеристики. Как хорошо видно из нее, основными характеристиками стабилитрона является U_ст — напряжение стабилизации и Iст (ток стабилизации). Эти данные можно узнать в справочниках по электронике.

В типовом диоде, если к нему приложить U_обр, может возникнуть пробой по одному из трех направлений туннельный, лавинный и пробой из-за теплового разогрева токами утечки. Тепловой пробой кремниевым стабилитронам совершенно не интересен, т.к они проектируются с учетом того, чтобы или туннельный, или лавинный пробой наступали задолго до зарождающейся тенденции к тепловому пробою. Серийные стабилитроны отечественного и зарубежного исполнения в настоящее время изготавливаются в основном из кремния.

Пробой при напряжении ниже 5 В характеризуется проявлением эффекта Зенера, пробой выше 5 Вольт — проявление лавинного пробоя. Промежуточное напряжение пробоя около 5 В, является результатом сочетания двух выше упомянутых эффектов. Напряженность электрического поля в момент пробоя составляет около 30 МВ/м. Пробой стабилитрона осуществляется в умеренно легированных полупроводниках р-проводимости и сильно легированных полупроводниках n. С ростом температуры на стыке снижается срыв стабилитрона и вклад лавинного пробоя возрастает.

Что такое стабилитрон

Когда U обратное, приложенное к стабилитрону, увеличивается и достигает уровня пробоя, то электрический ток проходящий через него может достигать достаточно больших величин. В режиме пробоя стабилитрона дальнейшего увеличение U обратного не будет, только увеличивается ток. Таким образом, постоянное напряжение, сохраняется на стабилитроне при изменении питающего. Поэтому он работает, по принципу регулятора.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона получена с помощью откладывания U_обр оси X и обратного тока вдоль оси Y. Когда U_обр достигает некоторого значения, I_обр увеличивается до гораздо большого уровня, но напряжение на стабилитроне остается постоянным.

Основные справочные параметры и характеристики стабилитронов

Для проектирования и разработки схем с использованием стабилитронов необходимо знать три основных его параметра: Напряжение стабилизации, минимальный токи и предельно-допустимый обратный ток. В отдельных случаях используют величину предельно допустимого прямого тока стабилитрона, если он применяется в схеме переменного тока и должен проводить ток в оба полупериода.

На рисунке ниже приведены для примера дифференциальные характеристики различных стабилитронов.

Как видим из графиков, значение дифференциального сопротивления для стабилитрона обратно пропорционально току стабилизации и составляет десятки Ом при рабочих токовых параметрах. Точность значения U стабилизации составляет десятки милливольт в типовом температурном диапазоне.

Максимальная рассеиваемая корпусом стабилитрона мощность, обычно находится в интервале от 0,125 до 1 ватта. Этого, вполне хватает для нормальной работы схемы защиты от импульсных помех и для построения маломощных стабилизаторов.

Как мы уже знаем основная область использования стабилитронов — стабилизация постоянного напряжения в источниках питания. В простейших конструкциях линейного параметрического стабилизатора стабилитрон играет роль и источника опорного напряжения, и силового регулирующего элемента. В более сложных схемах ему отводится только задача источника опорного напряжения, а регулирующим элементом является внешний силовой транзистор.

Рассмотрим реальные практические примеры, использования стабилитронов в схемах блоках питания не требующих высокой стабильности напряжения питания.

Стабилитроны обычно используются в роли регуляторов напряжения в различных радиолюбительских схемах, кроме того их можно применять в устройствах защиты от перенапряжений, которые используются в различной бытовой техники, чтобы защитить их от колебаний сети.

Для многих радиолюбительских самоделок необходимы стабилизированные источники питания. Основным их элементом является полупроводниковый прибор, который способен обеспечить постоянное выходное напряжение. Итак, проверить этот радио элемент и его работоспособность и функционирование можно несколькими простыми способами.

Если требуется стабилитрон на “нестандартное” напряжение, то поможет транзисторный аналог последнего. Схема полностью подходит для замены и может использоваться для замены стабилитронов в диапазоне напряжений 3-25 вольт.

Стабилитрон

Само название этого прибора “стабилитрон” созвучно слову стабильность или постоянство чего — либо или в чем — либо. В жизни человека очень важна стабильность, стабильность в зарплате, цены в магазине и прочее. В электронике стабильность напряжения питания очень важный, основной параметр, который при настройке или ремонте электронного оборудования проверяют в первую очередь. Напряжение в электрической сети может меняться в зависимости от общей нагрузки, качества электроснабжающих сетей, и еще многих других факторов, но напряжение питания электронных устройств, при этом, должно оставаться неизменным с определенной заданной величиной.

И так, что же такое стабилитрон.

Википедия, тебе даст такое определение:

«Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — это полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки. «

Все правильно, но слишком заумно.

Я попробую сказать проще

Стабилитрон — это такой полупроводниковый прибор, который стабилизирует напряжение.

Считаю, что на первых порах этого определения достаточно, (а как он стабилизирует напряжение, я расскажу ниже)

Принцип работы стабилитрона

Уважаемый читатель на этом рисунке изображен принцип работы стабилитрона.

Представь, что в некую емкость заливают воду, уровень воды в емкости, должен быть строго определенным, для того чтобы емкость не переполнилась в ней сделана переливная труба по которой вода превышающая заданный уровень будет выливаться из емкости.

Теперь от “сантехники” перейдем к электронике.

Обозначение стабилитрона на принципиальной схеме такое – же, как и у диода, отличие “черточка” катода изображается как буква Г.

Обозначение стабилитрона на схеме

Стабилитрон работает только в цепи постоянного тока, и пропускает напряжение в прямом направлении анод – катод так же — как и диод. В отличи от диода у стабилитрона есть одна особенность, если подать ток в обратном направлении катод – анод, ток через стабилитрон течь не будет, но ток в обратном направлении не будет течь только до тех пор, пока напряжение не превысит заданное значение.

Что является заданным значением напряжения для стабилитрона?

Стабилитрон имеет свои параметры – это напряжение стабилизации и ток. Параметр напряжение — указывает при какой величине напряжения стабилитрон будет пропускать ток в обратном направлении, параметром ток – задана сила тока, при которой стабилитрон может работать не повреждаясь.

Стабилитроны изготавливают для стабилизации напряжения различной величины, например, стабилитрон с обозначением V6.8 будет стабилизировать напряжение в пределах 6.8 Вольта.

Таблица рабочих параметров стабилитронов.

В таблице указаны основные параметры – это напряжение стабилизации и ток стабилизации. Есть и другие параметры, но они тебе пока не нужны. Главное понять суть работы стабилитрона и научиться выбирать нужный тебе для твоих схем и для ремонта радиоэлектроники.

Рассмотрим принципиальную схему объясняющую принцип работы стабилитрона.

Возьмем стабилитрон параметром — напряжение стабилизации 12Вольт. Для того чтобы через стабилитрон начал поступать ток в обратном направлении от катода к аноду, входное напряжение должно быть выше напряжения стабилизации стабилитрона (с запасом). Например — если стабилитрон рассчитан на напряжение стабилизации 12Вольт входное напряжение должно быть не меньше 15Вольт. Балластный резистор Rб ограничивает ток который будет проходить через стабилитрон до номинального. Как видишь, при напряжении, превышающем ток стабилизации стабилитрона, оный начинает сбрасывать лишнее напряжение через себя на минус. Иными словами, стабилитрон, выполняет роль переливной трубы, чем больше напор воды или величина электрического тока, тем сильнее открывается стабилитрон и наоборот при уменьшении напряжения, стабилитрон начинает закрываться, уменьшая прохождения тока через себя.

Эти изменения могут происходить как плавно, так и с огромной скоростью в малых интервалах времени, что позволяет добиться высокого коэффициента стабилизации напряжения.

Если напряжение на входе стабилизатора будет меньше 12Вольт, стабилитрон “закроется” и напряжение на выходе стабилизатора будет “плавать” так – же, как и на входе, при этом никакой стабильности напряжения не будет. Вот почему напряжение входное должно быть больше чем необходимое выходное (с запасом). Приведенная схема называется параметрический стабилизатор . Кто хочет полный расклад по расчету параметрического стабилизатора, пусть посетит ГУГЛ, нам начинающим для первого раза вполне достаточно, не будем заморачивать себя формулами.

Теперь перейдем к лабам (лабораторным работам :).

Перед тобой макет параметрического стабилизатора, на входе и выходе макета имеются вольтметры. Сейчас вольтметр на ВХОДЕ стабилизатора показывает 6 вольт на ВЫХОДЕ стабилизатора практически такое же напряжение. Так как я уже говорил, стабилитрон макета имеет напряжение стабилизации 8и2 вольта, напряжение в 6 Вольт на ВХОДЕ стабилизатора, не превышает напряжение стабилизации стабилитрона, поэтому стабилитрон закрыт.

Теперь я повышаю напряжение на входе стабилизатора до 15 Вольт, напряжение на входе стабилизатора превысило напряжение стабилизации стабилитроне и на выходе стабилизатора достигло заданного напряжения стабилизации 8.2 Вольта таким оно и остается, практически неизменным, даже при резких бросках напряжения, стабилитрон отрабатывает мгновенно, поддерживая стабильность напряжения. Повторяюсь еще раз – “Для того чтобы параметрический стабилизатор работал правильно на входе всегда должно быть напряжение, превышающее напряжение стабилизации стабилитрона т. е. с запасом примерно 15-25%”

Так как ток стабилизации такого параметрического стабилизатора слишком мал, параметрический стабилизатор обычно применяют в блоках питания как стабилизирующий элемент схемы, где кроме самого стабилизатора присутствуют элементы регулировки напряжения, мощные транзисторы.

Пример — схема регулируемого стабилизатора (блока питания).

В современной электронике, параметрические стабилизаторы применяют все реже, в основном используя специальные микросхемы, которые представляют из себя довольно мощные стабилизаторы с очень хорошим коэффициентом стабилизации, они компактны и легко применимы.

Но о них мы поговорим в следующий раз. Тем не менее, параметрические стабилизаторы можно встретить во многих различных электронных схемах, поэтому знать их и понимать элементарно принцип работы нужно.

Как проверить стабилитрон

Для проверки стабилитрона, нужно знать как пользоваться мультиметром и воспользоваться методикой проверки полупроводникового диода, если есть возможность можно собрать схему параметрического стабилизатора и проверить стабилитрон в работе, как описано в этой статье. Если у тебя имеется стабилитрон и ты не знаешь его параметры (стерлась надпись на корпусе стаба), собрав схемку параметрического стабилизатора можно определить на какое напряжение стабилизации работает этот неопознанный стаб.

Как работает стабилитрон

Немного теории

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

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

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

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

Стабилитрон или диод Зенера

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

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

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

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

Напряжение стабилизации

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

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

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

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

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

Маркировка стабилитронов

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

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

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

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

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

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

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

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

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

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

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

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

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

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

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

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

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

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

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

Iпр – прямой ток, А

Uпр – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

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

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, 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.