Принцип работы стабилитрона

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 дифференциального 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:

Прецизионные стабилитроны – для них свойственно наличие повышенной стабильности напряжения. Пример: 2С191 или КС211.
Двухсторонние – ограничивают и стабилизируют двухполярное напряжение. Пример: 2С170А или 2С182А.
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.

Что такое Диод Зенера

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.

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).

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.

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.

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.

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. 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:

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

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:

Как работает стабилитрон и для чего он нужен?

Что такое стабилитрон, какой у него принцип действия и назначение. Основные характеристики стабилитронов и их маркировка. Условное обозначение на схеме.

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

Что это такое

В литературе дается следующее определение:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные характеристики

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

Основными характеристиками являются:

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

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

Условно графическое обозначение на схемах

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

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

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

Схема подключения

Рассмотрим работу стабилитрона на примере схемы параметрического стабилизатора. Это типовая схема. Приведем формулы для расчета стабилизатора.

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

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

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

Предполагаем, что ток нагрузки равен 100 мА:

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

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

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

На нижеприведенном рисунке представлена схема на транзисторе.

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

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

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

Маркировка

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

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

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

На нижеприведенном рисунке представлена маркировка SMD-диодов.

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

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

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

Как работает стабилитрон

Диод Зенера или стабилитрон (полупроводниковый стабилитрон) представляет собой особый диод, функционирующий в режиме устойчивого пробоя в условиях обратного смещения p-n перехода. До момента наступления этого пробоя, ток через стабилитрон протекает лишь очень малый, ток утечки, в силу высокого сопротивления запертого стабилитрона.

Но когда наступает пробой, ток мгновенно вырастает, поскольку дифференциальное сопротивление стабилитрона составляет в этот момент от долей до сотен Ом. Таким образом, напряжение на стабилитроне весьма точно поддерживается в определенном диапазоне обратных токов, относительно широком.

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.

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).

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.

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

У полупроводникового диода множество «профессий». Он может выпрямлять напряжение, развязывать электрические цепи, предохранять оборудование от неправильной подачи питания. Но есть не совсем обычный вид «работы» диода, когда его свойство односторонней проводимости используется очень косвенно. Полупроводниковый прибор, для которого нормальным режимом является обратное смещение, называется стабилитроном.

Что такое стабилитрон, где используется и какие бывают

Стабилитрон, или диод Зенера (по имени американского ученого, первым изучившим и описавшим свойства этого полупроводникового прибора), представляет собой обычный диод с p-n переходом. Его особенность – работа на участке характеристики с отрицательным смещением, то есть, когда напряжение прикладывается в обратной полярности. Используется такой диод в качестве самостоятельного стабилизатора, поддерживающего напряжение потребителя постоянным вне зависимости от изменения тока нагрузки и колебаний входного напряжения. Также узлы на стабилитронах применяются в качестве источников опорного напряжения для других стабилизаторов с развитой схемой. Реже диод с обратным включением используется в качестве элемента формирования импульсов или защитного ограничителя от перенапряжений.

Существуют обычные стабилитроны и двуханодные. Двуханодный стабилитрон — это два диода, включенные встречно в одном корпусе. Его можно заменить двумя отдельными приборами, включив их по соответствующей схеме.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его принцип работы

Чтобы разобраться с принципом работы стабилитрона, надо изучить его типовую вольт-амперную характеристику (ВАХ).

Если к зенеру приложить напряжение в прямом направлении, как к обычному диоду, то он и вести себя будет подобно обычному диоду. При напряжении около 0,6 В (для кремниевого прибора) он откроется и выйдет на линейный участок ВАХ. По теме статьи более интересно поведение стабилитрона при приложении напряжения обратной полярности (отрицательная ветвь характеристики). Сначала сопротивление его резко возрастет, и прибор перестанет пропускать ток. Но при достижении определенного значения напряжения произойдет резкий рост тока, называемый пробоем. Он носит лавинный характер, и исчезает после снятия питания. Если продолжать увеличивать обратное напряжение, то p-n переход начнет нагреваться и выйдет в режим теплового пробоя. Тепловой пробой необратим и означает выход стабилитрона из строя, поэтому вводить диод в такой режим не следует.

Интересен участок работы полупроводникового прибора в режиме лавинного пробоя. Его форма близка к линейной, и он имеет высокую крутизну. Это означает, что при большом изменении тока (ΔI) изменение падения напряжения на стабилитроне относительно невелико (ΔU). А это и есть стабилизация.

Такое поведение при подаче обратного напряжения характерно для любого диода. Но особенность стабилитрона в том, что его параметры на этом участке ВАХ нормированы. Его напряжение стабилизации и крутизна характеристики заданы (с определенным разбросом) и являются важными параметрами, определяющими пригодность использования прибора в схеме. Найти их можно в справочниках. Обычные диоды также можно использовать в качестве стабилитронов – если снять их ВАХ и среди них найдется с подходящей характеристикой. Но это долгий, трудоёмкий процесс с негарантированным результатом.

Основные характеристики стабилитрона

Чтобы подобрать диод Зенера под существующие цели, надо знать несколько важных параметров. Эти характеристики определят пригодность выбранного прибора для решения поставленных задач.

Номинальное напряжение стабилизации

Первый параметр зенера, на который надо обратить внимание при выборе – напряжение стабилизации, определяемое точкой начала лавинного пробоя. С него начинают выбор прибора для использования в схеме. У разных экземпляров ординарных стабилитронов, даже одного типа, напряжение имеет разброс в районе нескольких процентов, у прецизионных разница ниже. Если номинальное напряжение неизвестно, его можно определить, собрав простую схему. Следует подготовить:

балластный резистор в 1…3 кОм;
регулируемый источник напряжения;
вольтметр (можно использовать тестер).

Надо поднимать напряжение источника питания с нуля, контролируя по вольтметру рост напряжения на стабилитроне. В какой-то момент он остановится, несмотря на дальнейшее увеличение входного напряжения. Это и есть фактическое напряжение стабилизации. Если регулируемого источника нет, можно использовать блок питания с постоянным выходным напряжением заведомо выше Uстабилизации. Схема и принцип измерения остаются теми же. Но есть риск выхода полупроводникового прибора из строя из-за превышения рабочего тока.

Стабилитроны применяются для работы с напряжениями от 2…3 В до 200 В. Для формирования стабильного напряжения ниже данного диапазона, используются другие приборы – стабисторы, работающие на прямом участке ВАХ.

Диапазон рабочих токов

Ток, при котором стабилитроны исполняют свою функцию, ограничен сверху и снизу. Снизу он ограничен началом линейного участка обратной ветви ВАХ. При меньших токах характеристика не обеспечивает режима неизменности напряжения.

Верхнее значение лимитировано максимальной мощностью рассеяния, на которую способен полупроводниковый прибор и зависит от его конструкции. Стабилитроны в металлическом корпусе рассчитаны на больший ток, но не надо забывать об использовании радиаторов. Без них наибольшая допустимая мощность рассеяния будет существенно меньше.

Дифференциальное сопротивление

Еще один параметр, определяющий работу стабилитрона – дифференциальное сопротивление Rст. Оно определяется как отношение изменения напряжения ΔU к вызвавшему его изменение тока ΔI. Эта величина имеет размерность сопротивления и измеряется в омах. Графически — это тангенс угла наклона рабочего участка характеристики. Очевидно, что чем меньше сопротивление, тем лучше качество стабилизации. У идеального (не существующего на практике) стабилитрона Rст равно нулю – любое приращение тока не вызовет никакого изменения напряжения, и участок ВАХ будет параллелен оси ординат.

Маркировка стабилитронов

Отечественные и импортные стабилитроны в металлическом корпусе маркируются просто и наглядно. На них наносится наименование прибора и расположение анода и катода в виде схематического обозначения.

Приборы в пластиковом корпусе маркируются кольцами и точками различных цветов со стороны катода и анода. По цвету и сочетанию знаков можно определить тип прибора, но для этого придётся заглянуть в справочники или использовать программы-калькуляторы. И то, и другое можно найти в интернете.

Иногда на маломощных стабилитронах наносят напряжение стабилизации.

Схемы включения стабилитрона

Основная схема включения стабилитрона – последовательно с резистором, который задает ток через полупроводниковый прибор и берет на себя излишек напряжения. Два элемента составляют обычный делитель. При изменении входного напряжения падение на стабилитроне остается постоянным, а на резисторе изменяется.

Такая схема может использоваться самостоятельно и называется параметрическим стабилизатором. Он поддерживает напряжение на нагрузке постоянным, несмотря на колебания входного напряжения или потребляемого тока (в определенных пределах). Подобный блок ещё используют в качестве вспомогательной схемы там, где нужен источник образцового напряжения.

Подобное включение также применяется в качестве защиты чувствительного оборудования (датчиков и т.п.) от нештатного появления высокого напряжения в линии питания или измерения (постоянного или случайных импульсов). Все, что выше напряжения стабилизации полупроводникового прибора, «срезается». Такая схема называется «барьером Зенера».

Раньше свойство стабилитрона «срезать» верхушки напряжения широко использовалось в схемах формирователей импульсов. В цепях переменного тока применялись двуханодные приборы.

Но с развитием транзисторной техники и появлением интегральных микросхем такой принцип стал использоваться редко.

Если под рукой отсутствует стабилитрон на нужное напряжение, его можно составить из двух. Общее напряжение стабилизации будет равно сумме двух напряжений.

Важно! Нельзя включать стабилитроны параллельно для увеличения рабочего тока! Разброс вольтамперных характеристик приведет к выводу в зону теплового пробоя один стабилитрон, далее выйдет из строя второй из-за превышения тока нагрузки.

Хотя в технической документации времен СССР разрешается параллельное включение зенеров в параллель, но с оговоркой, что приборы должны быть однотипные и суммарная фактическая мощность рассеяния в процессе эксплуатации не должна превышать допустимую для единичного стабилитрона. То есть, увеличения рабочего тока при таком условии не добиться.

Для повышения допустимого тока нагрузки используется другая схема. Параметрический стабилизатор дополняется транзистором, и получается эмиттерный повторитель с нагрузкой в цепи эмиттера и стабильным напряжением на базе транзистора .

В этом случае выходное напряжение стабилизатора будет меньше Uстабилизации на величину падения напряжения на эмиттерном переходе – для кремниевого транзистора около 0,6 В. Чтобы скомпенсировать это уменьшение, можно включить последовательно со стабилитроном диод в прямом направлении.

Таким способом (включением одного или нескольких диодов) можно подкорректировать выходное напряжение стабилизатора в большую сторону в небольших пределах. Если надо радикально повысить Uвых, лучше включить последовательно ещё одни стабилитрон.

Сфера применения стабилитрона в электронных схемах обширна. При осознанном подходе к выбору этот полупроводниковый прибор поможет решить множество задач, поставленных перед разработчиком.

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

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Описание, технические характеристики и аналоги выпрямительных диодов серии 1N4001-1N4007

Что такое варистор, основные технические параметры, для чего используется

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик