Стабилитрон. Особенности практического применения.
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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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:
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.
Можете посмотреть видео на тему “КАК РАБОТАЕТ СТАБИЛИТРОН (ДИОД ЗЕНЕРА)”, рекомендую.
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
Стабилитрон | Принцип работы и маркировка стабилитронов
Стабилитрон относится к одному из применяемых радиоэлектронных элементов. Каждый более-менее качественный блок питания содержит узел стабилизации напряжения, которое может изменяться при изменении сопротивления нагрузки либо при отклонении входного напряжения от номинального значения.
Стабилизация напряжения выполняется главным образом с целью обеспечения нормального режима работы остальных радиоэлементов устройства, например микросхем, транзисторов, микроконтроллеров и т.п.
Стабилитроны широко используются в маломощных блоках питания либо в отдельных его узлах, мощность которых редко превышает десятки ватт.
Главное преимущество стабилитронов – их малая стоимость и габариты, поэтому они до сих пор не могут вытисниться интегральными стабилизаторами напряжения типа LM7805 или 78L05 и т.п.
Стабилитрон очень похож на диод, поскольку его полупроводниковый кристалл помещен в аналогичный корпус.
Условное графическое обозначение стабилитрона на чертежах электрических схем также похоже на обозначение диода, только со стороны катода добавлена короткая горизонтальная черточка, направленная в сторону анода.
Принцип работы стабилитрона
Рассмотрим принцип работы стабилитрона на примере схемы его включения и вольт-амперной характеристике. Для выполнения своей основной функции стабилитрон VD соединяется последовательно с резистором Rб и вместе они подключаются к источнику входного нестабилизированного напряжения Uвх. Уже стабилизированное выходное напряжение Uвых снимается только с выводов 2, 3 VD. Поэтому нагрузка Rн подключается к соответствующим точкам 2 и 3. Как видно из схемы, VD и Rб образуют делитель напряжения. Только сопротивление стабилитрон имеет не постоянно значение и называется динамическим, поскольку зависит от величины электрического тока, протекающего через полупроводниковый прибор.
Величина напряжения Uвх, подаваемого на стабилитрон с резисторов должна быть выше на минимум на пару вольт выходного напряжения Uвых, в противном случае полупроводниковый прибор VD не откроется и не сможет выполнять свою основную функцию.
Допустим, в какой-то произвольный момент времени на выходах 1 и 3 значение Uвх начало возрастать. В схеме начнут протекать следующие процессы. С ростом напряжения согласно закону Ома начнет возрастать ток, назовем его входным током Iвх. С увеличением ток возрастет падение напряжения на резисторе Rб, а на VD она останется неизменным (это будет пояснено далее на характеристике), поэтому и Uвых останется на прежнем уровне. Следовательно, прирост входного напряжения упадет или погасится на резисторе Rб. Поэтому Rб называют гасящим или балластным.
Теперь, допустим, изменилась нагрузка, например, снизилось сопротивление Rн, соответственно возрастет и ток Iн. В этом случае снизится ток, протекающий стабилитрон Iст, а Iвх останется практически без изменений.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона аналогично ВАХ диода и имеет две ветви: прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочей для диода, а обратная ветвь характеризует работу стабилитрона, поэтому он включается в электрическую цепь в обратном направлении (катодом к плюсу, а анодом к минусу) по сравнению с диодом. Поэтому стабилитрон называю опорным диодом, а источник питания с данным полупроводниковым элементом называют опорным источником напряжения. Такой терминологий будем пользоваться и мы.
На обратной ветви вольт-амперной характеристик опорного диода выделим две характерные точки 1 и 3. Точка 1 отвечает минимальному значению тока стабилизации, который находится в пределах единиц миллиампер. Если ток, протекающий через стабилитрон, будет ниже точки 1, то он не сможет выполнять свои функции (не откроется). В случае превышения тока выше точки 3 опорный диод перегреется и выйдет из строя. Поэтому оптимальной точкой в большинстве случае будет точка посредине обратной ветви ВАХ, то есть точка 2. Тогда при изменении тока в широких пределах (смотрите ось Y) точка 2 будет изменять свое положение, перемещаясь вверх или вниз по обратной ветви, а напряжение будет изменяться незначительно (смотрите ось X).
Встречное, параллельное, последовательное соединение стабилитронов
Для повышения напряжения стабилизации можно последовательно соединять два и более стабилитрона. Например на нагрузке нужно получить 17 В, тогда, в случае отсутствия нужного номинала, применяют опорные диоды на 5,1 В и на 12 В.
Параллельное соединение применяется с целью повышения тока и мощности.
Также стабилитроны находят применение для стабилизации переменного напряжения. В этом случае они соединяются последовательно и встречно.
В один полупериод переменного напряжения работает один стабилитрон, а второй работает как обычный диод. Во второй полупериод полупроводниковые элементы выполняют противоположные функции. Однако в таком случае форма выходного напряжения будет отличается от входного и выглядит как трапеция. За счет того, что опорный диод будет отсекать напряжение, превышающее уровень стабилизации, верхушки синусоиды будут срезаться.
Маркировка стабилитронов
Маркировка наносится на корпус стабилитрона в виде цифр и букв (или буквы). Различают принципиально два разных типа маркировки. Стабилитрон в стеклянном корпусе имеет привычную для нас маркировку, непосредственно обозначающую номинальное напряжение стабилизации. Цифры могут быть разделены буквой V, выполняющую роль десятичной точки. Например, 5V1 означает 5,1 В.
Менее понятный способ маркировки состоит из четырех цифр и буквы в конце. Если вы не опытный радиолюбитель, то без даташита никак не обойтись. Для примера расшифруем параметры опорного диода серии 1N5349B. Больше всего нас интересует первый столбец, в котором приведено номинальное напряжение 12 В. Второй столбец – номинальное значения ток – 100 мА.
Катод стабилитрона любого типа обозначается кольцом черного или синего цвета, которое наносится на корпус со стороны соответствующего вывода.
Маркировка SMD стабилитронов
Наибольшее распространение получили опорные диоды в стеклянном корпусе и в пластмассовом корпусе с тремя выводами. Маркировка SMD стабилитрона в стеклянном корпусе состоит из цветного кольца, цвет которого обозначает параметры данного полупроводникового прибора.
Если вам встретился SMD стабилитрон с тремя выводами, то следует знать, что один вывод – это «пустышка», то есть он не задействован и применяется лишь для надежной фиксации элемента на печатной плате после пайки. Анод и катод такого экземпляра проще всего определить с помощью мультиметра.
Мощность рассеивания стабилитрона
Мощность рассеивания стабилитрона Pст характеризует его способность не перегреваться выше определенной температуры на протяжении длительного времени. Чем выше значение Pст, тем больше тепла способен рассеять полупроводниковый прибор. Мощность рассеивания рассчитывается для самых неблагоприятных условий работы прибора, поэтому в ниже приведенную формулу подставляют максимально возможное в работе Uвх и наименьшие значения Rб и Iн:
Существует ряд стандартных номиналом по данному параметру: 0,3 Вт, 0,5 Вт, 1,3 Вт, 5 Вт и т.п. Чем больше Pст, тем больше габариты полупроводникового прибора.
Как проверить стабилитрон
Проверить стабилитрон на предмет исправности довольно просто и быстро можно с помощью простейшего мультиметра. Для этого мультиметр следует перевести в режим «прозвонка», как правило, обозначенный знаком диода. Затем, если положительным щупом мультиметра прикоснуться анода, а отрицательным – катода, то на дисплее измерительного прибора мы увидим некоторое значение падения напряжения на pn-переходе. Поскольку к полупроводниковому прибору приложено прямое напряжение (смотрите прямую ветвь вольт-амперной характеристики), то опорный диод откроется.
Теперь, если щупы мультиметра поменять местами, тем самым приложить к выводам полупроводникового прибора обратное напряжение (смотрите обратную ветвь ВАХ), то он окажется заперт и не будет проводить ток. На дисплее измерительного прибора отобразится единица, обозначающая бесконечно высокое сопротивление.
Если в обеих случаях мультиметр покажет единицу или будет звенеть, то стабилитрон непригоден.
Что такое стабилитрон
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.
Обозначение стабилитрона
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.
Как работает стабилитрон
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.
Параметры стабилитрона
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».
Схема включения стабилитрона
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.