Допускается ли последовательное и параллельное включение стабилитронов: Параллельное соединение — стабилитрон — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Содержание

Параллельное соединение — стабилитрон — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Параллельное соединение — стабилитрон

Cтраница 1


Параллельное соединение стабилитронов для повышения мощности не допускается, так как из-за недостаточной идентичности вольтамперных характеристик, включаемых параллельно диодов, невозможно распределить между ними токи равномерно. Ток стабилизации, проходящий через один диод, может меняться в пределах от 1 до 30 ма и, следовательно, может скомпенсировать изменение тока нагрузки только на эту величину. Таким образом, пределы регулировки при токах нагрузки в сотни миллиампер получаются недостаточными. Чтобы расширить пределы допустимых колебаний входного напряжения и тока нагрузки, в схему стабилизации включают транзистор в качестве эммиттерного повторителя.  [2]

Параллельное соединение стабилитронов не допускается.

 [4]

Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как разные стабилитроны имеют неодинаковые напряжения зажигания и напряжения стабилизации. В результате этого при подаче напряжения зажигается лишь один стабилитрон, у которого напряжение наименьшее.  [5]

Параллельное соединение стабилитронов допускается при условии, что ток стабилизации, проходящий через каждый стабилитрон, должен быть в пределах допустимых норм. Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов.  [6]

Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как разные экземпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковых напряжений зажигания. Поэтому при параллельном соединении, как правило, зажигается только стабилитрон с наименьшим напряжением зажигания.  [8]

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из-за неизбежного разброса параметров ток стабилитрона с наименьшим напряжением пробоя окажется во много раз больше токов через остальные диоды.  [9]

Параллельное соединение стабилитронов и стабисторов не применяют, так как вследствие различия их сопротивлений ток распределится между ними неравномерно. В результате стабилитрон с меньшим сопротивлением окажется перегруженным и стабилизатор будет ненадежен в работе.  [10]

Допускается параллельное соединение стабилитронов при условии, что ток стабилизации, проходящий через каждый стабилитрон, должен быть в пределах допустимых норм. Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов.  [11]

Для увеличения стабилизированного напряжения применяют-последовательное соединение стабилитронов;

параллельное соединение стабилитронов не применяют, так как невозможно подобрать стабилитроны с абсолютно одинаковыми параметрами.  [12]

При работе стабилитрон должен включаться полярностью, обратной указанной на корпусе стабилитрона. Параллельное соединение стабилитронов допускается только при условии, что ток стабилизации, проходящий через каждый стабилитрон, должен быть в пределах допустимых норм.  [13]

Допускается последовательное соединение любого количества стабилитронов. Параллельное соединение стабилитронов допускается при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех параллельно включенных стабилитронах, не превосходит предельной мощности для одного стабилитрона, а ток, протекающий через каждый стабилитрон — величины максимальных и минимальных значений.  [14]

Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов. Параллельное соединение стабилитронов допускается при условии, что суммарная рассеиваемая мощность на всех параллельно включенных стабилитронах не превосходит максимально допустимой рассеиваемой мощности для одного стабилитрона.  [15]

Страницы:      1    2

Стабилитроны параллельно. Последовательное соединение стабилитронов

Стабилитрон, он же диод Зенера, назван в честь первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера и на схемах обозначается следующим образом.

Но в отличие от выпрямительного диода ток через него может течь в обоих направлениях.

Для лучшего понимания его работы, можно представить его как два диода, включённых встречно-параллельно, но с разным падением напряжения. Для любого стабилитрона, падение напряжение на одном из его диодов равно примерно 0.7 вольт, а падение напряжение на другом зависит от выбранного стабилитрона, так как разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 вольт). Например, для BZX55C3V3 прямое падение напряжение равно 0.7 вольта, а напряжение пробоя, по нашей аналогии падение напряжения на втором диоде, равно 3.3 вольта.

Описанное выше становится более понятно если посмотреть на вольт — амперную характеристику(ВАХ) стабилитрона.

Правая ветвь ВАХ аналогична ВАХ диода, а левая отвечает за тот самый туннельный пробой. Пока обратное напряжение не достигло напряжения пробоя, ток через стабилитрон практически не течёт, не считая утечки. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, в определенный момент начинается пробой, он характеризуется загибом ВАХ. Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к туннельному пробою, в этом состоянии ток через стабилитрон растёт, а напряжение нет.

Отличительной чертой туннельного пробоя является, его обратимость, то есть после снятия приложенного напряжение стабилитрон вернётся в исходное состояние. Если же максимально допустимый ток будет превышен и произойдёт тепловой пробой, стабилитрон выйдет из строя.

Простейшая схема стабилизатора на стабилитроне выглядит следующим образом.

Давайте соберём её, подключив осциллограф вместо нагрузки и подадим на вход треугольный сигнал амплитудой 10 вольт. Напряжение генератора — первый канал, напряжение на стабилитроне — второй канал. На осциллограмме видно, что напряжение на стабилитроне изменяется от -0,88 до 3,04 вольта.

Для того чтобы понять почему так происходит, давайте заменим схему выше двумя эквивалентными. При прямом включения стабилитрона, когда на аноде плюс, на катоде минус.

При обратном включении стабилитрона, когда на аноде минус, на катоде плюс.

До этого мы не учитывали величину сопротивление нагрузки. Прежде чем рассматривать как поведёт себя схема под нагрузкой, необходимо ознакомиться с основными характеристиками стабилитрона.

  • Vz

    напряжение стабилизации
    , обычно указывается минимальное и максимальное значение
  • Iz и Zz

    минимальный ток стабилизации
    и сопротивление стабилитрона
  • Izk и Zzk
    — ток и сопротивление в точке, где начинается «излом» характеристики
  • Ir и Vr
    — обратный ток и напряжение при заданной температуре
  • Tc
    — температурный коэффициент
  • Izrm
    — максимальный ток стабилизации

Что же произойдёт когда мы подключим нагрузку? Ток, протекающий через стабилитрон уменьшиться, так как часть его потечёт через нагрузку. Вопрос в том насколько уменьшится, если ток через стабилитрон станет меньше минимального тока стабилизации
стабилитрон перестанет стабилизировать напряжение и всё напряжение питания окажется приложенным к нагрузке. Из этого можно сделать вывод, что при отключенной нагрузке ток через стабилитрон должен быть равен сумме 2-х токов, минимального тока стабилизации и тока нагрузки. Эта сумма токов задается с помощью гасящего резистора, в нашей схеме его номинал 1К.

Формула для его вычисления выглядит следующим образом

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

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

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

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

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

Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора

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

Эта схема называется параметрический стабилизатор

на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл;-)

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

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

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

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

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

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

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

где

Iпр

– прямой ток, А

Uпр

– прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр

– обратное напряжение, В

Uст

– номинальное напряжение стабилизации, В

Iст

– номинальный ток стабилизации, А

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

Imax

– максимальный ток стабилитрона, А

Imin

– минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin


это сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.
Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит такая интересная штука, как пробой. Короче говоря, он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax , иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим, при котором сила тока через стабилитрон находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой

рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения . 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.

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

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

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

Как видно из рисунка, у стабилитрона два вывода — это катод и анод. Следовательно, есть всего два варианта его включения: — включение в прямом направлении, когда анод подключается к плюсу питания, а катод к минусу,- включение в обратном направлении, когда анод подключается к минусу питания, а катод к плюсу.

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

Правая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено напряжение в прямом направлении. Левая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено обратное напряжение. Похожа на характеристику диода, но пробой (участок, где загибается график) у стабилитрона наступает гораздо раньше диода. Нас интересует левая часть графика.

Вот мы подключили стабилитрон к источнику питания в обратном направлении и начинаем медленно повышать напряжение. Пока приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, оно растет, через стабилитрон течет незначительный ток утечки Io (микроамперы, а то и меньше), пробоя нет. На этом участке стабилитрон ведет себя как резистор с очень большим сопротивлением.

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

При дальнейшем повышении напряжения источника питания, ток через стабилитрон будет увеличиваться значительно, а напряжение нет. Стабилитрон ведет себя как резистор с маленьким сопротивлением. Это рабочий участок характеристики, где напряжение на стабилитроне, грубо говоря, постоянно.

Снова повышаем напряжение, ток продолжает расти, стабилитрон начинает греться. Когда ток превысит максимально допустимое значение, стабилитрон перегреется и выйдет из строя.

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

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

Напряжение стабилизации Uст (в зарубежной литературе Uz, zener voltage)

— это, грубо говоря, рабочее напряжение стабилитрона. А если по умному, то это напряжение на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации.

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

Минимальный ток стабилизации Iст мин (Iz)

— величина тока, при которой стабилитрон «выходит» на свой рабочий участок вольтамперной характеристики. По сути, это точка с которой начинается «излом» характеристики.

Мощность рассеяния стабилитрона P

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

Типовая схема включения стабилитрона — это схема простого стабилизатора напряжения.

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

Такой стабилизатор напряжения можно использовать для питания мало потребляемых схем

, потому что из-за резистора он не способен «отдать» в нагрузку большой ток.

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

Номинал резистора R1 рассчитывается по формуле:

R = (Uin — Uz)/(Iz + I)

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

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

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

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.

Расчёт параметрического стабилизатора.

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

входное напряжение U0

;

выходное напряжение U1

= Ust – напряжение стабилизации;

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

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

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

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.

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)

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).

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.

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.

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.

ЗАПРЕЩЕННАЯ СХЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ

Стабилизация напряжения с помощью стабилитронов
хорошо знакома многим и основным элементом стабилизации в схемах является стабилитрон. В качестве стабилитрона могут выступать разные радиоэлементы имеющие пороговые свойства. Хотя иногда стабилизаторами становятся и компоненты для этого изначально не предназначенные,- к примеру транзисторы и неоновые лампочки.

Суть стабилизации пороговыми элементами

сводится к пропусканию ими тока при достижении критического напряжения. Именно ток протекающий через стабилитрон стабилизирует напряжение в схеме. Вот тут как раз и кроется причина возникновения парадоксов и запретных загадок. Слабый стабилитрон пропуская через себя большие токи может легко выйти из строя, а вот увеличить ток и мощность стабилизации можно применив схему с транзистором рассчитанным на пороговые токи стабилизации.

Для увеличения стабилизируемого напряжения

применяется последовательное включение стабилитронов

Очень часто я встречаю решение по увеличению мощности тока стабилизации в схемах опубликованных и рассказанных на радиолюбительских сайтах в виде параллельно поставленных стабилитронов. Логически параллельное соединение увеличивает мощность схемы стабилизации, НО практически это в корне не верно.

Да , ставить стабилитроны ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО можно

тем самым увеличивая напряжение стабилизации, но
паралельно НЕЛЬЗЯ!

Простой опыт с неоновыми лампочками включенными по упрощенной схеме ПАРАЛЕЛЬНОГО включения показывает, что ток при превышении заданного напряжения стабилизации будет протекать только через один пороговый элемент в то время как второй просто будет «отдыхать».

В результате схема будет работать до поры до времени, но в определенный момент один из стабилитронов просто выйдет из строя сгорев и замкнув цепь питания.

Вывод: Параллельное включение стабилитронов категорически ЗАПРЕЩЕНО!

Источник



Последовательное и параллельное соединение выпрямительных диодов

При выпрямлении более высоких напряжений приходится соединять дио­ды последовательно, с тем, чтобы обрат­ное напряжение на каждом диоде не превышало предельного. Но вследствие разброса обратных сопротивлений у раз­личных экземпляров диодов одного и того же типа на отдельных диодах обратное напряжение может оказаться выше предельного, что повлечет пробой диодов. Поясним это примером.

Пусть в некотором выпрямителе амплитуда обратного напряжения сос­тавляет 1000 В и применены диоды с U

обр max = 400 В. Очевидно, что необ­ходимо соединить последовательно не менее трех диодов. Предположим, что обратные сопротивления диодов Rо6р1, = Rобр2 = 1 МОм и Rо6р3 = 3 МОм. Обратное напряжение распределяется пропорционально обратным сопротивле­ниям, и поэтому получится Uо6р1, = Uобр2 = 200 В и Uо6р3, = 600 В. На третьем диоде (кстати говоря, он явля­ется лучшим, так как у него наиболь­шее Rобр) обратное напряжение выше предельного, и он может быть пробит. Если это произойдет, то напряжение 1000 В распределится между оставши­мися диодами и на каждом из них будет 500 В. Ясно, что любой из этих диодов может пробиться, после чего все обратное напряжение 1000 В будет при­ложено к одному диоду, который его не выдержит. Такой последовательный пробой диодов иногда происходит за доли секунды.

Рисунок 2.26 – Последовательное соединение диодов

Для того чтобы обратное напряжение распределялось равномерно между диодами независимо от их обратных сопротивлений, применяют шунтирова­ние диодов резисторами (рисунок 2.26). Сопротивления

R шрезисторов должны быть одинаковы и значительно меньше наименьшего из обратных сопротивле­ний диодов. Но вместе с тем R шне должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении, т. е. чтобы не ухудшилось выпрямление. Для рассмотренного при­мера можно взять резисторы с сопро­тивлением 100 кОм. Тогда при обратном напряжении сопротивление каждого участка цепи, состоящего из диода и шунтирующего резистора, будет не­сколько меньше 100 кОм и общее об­ратное напряжение разделится между этими участками примерно на три рав­ные части. На каждом участке это напряжение окажется меньше 400 В и диоды будут работать надежно. Обыч­но шунтирующие резисторы имеют сопротивление от нескольких десятков до нескольких сотен килоом.

Параллельное соединение диодов применяют в том случае, когда нужно получить прямой ток, больший предель­ного тока одного диода. Но если диоды одного типа просто соединить парал­лельно, то вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик они ока­жутся различно нагруженными и в не­которых ток будет больше предельного. Различие в прямом токе у однотипных диодов может составлять десятки про­центов.

Для примера на рисунке 2.27, а показа­ны характеристики прямого тока двух диодов одного и того же типа, у кото­рых Iпр max = 0,2 А. Пусть от этих дио­дов требуется получить прямой ток 0,4 А. Если их соединить параллельно, то при токе 0,2 А на первом диоде напряжение равно 0,4 В (кривая 1). А на втором диоде при таком же напряжении ток будет лишь 0,05 А (кривая 2). Таким образом, общий ток составит 0,25 А, а не 0,4 А. Увеличивать напряжение на диодах нельзя, так как в первом диоде ток станет больше предельного.

Рисунок 2.27 – Параллельное соединение диодов

Из характеристик видно, что для получения во втором диоде тока 0,2 А надо иметь на нем напряжение 0,5 В, т. е. на 0,1 В больше, чем на первом диоде. Поэтому, чтобы установить пра­вильный режим работы диодов, надо подвести к ним напряжение 0,5 В, но последовательно с первым диодом включить уравнительный резистор (рисунок 2.27,

б) – с целью поглощения из­лишнего для первого диода напряжения 0,1 В. Ясно, что сопротивление этого резистора Rу = 0,1:0,2 = 0,5 Ом. При наличии такого резистора оба диода будут нагружены одинаково током в 0,2 А.

Практически редко включают парал­лельно больше трех диодов. Уравни­тельные резисторы с сопротивлением в десятые доли ома или единицы ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинако­вых токов в диодах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивле­нием, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление диодов, для того чтобы ток в каждом диоде определялся главным образом сопротивлением R у

. Но в этом случае происходит допол­нительное падение напряжения на Ry ,, превышающее в несколько раз прямое напряжение диодов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно вклю­чать уравнительные резисторы, то надо подобрать диоды с примерно одинако­выми характеристиками. Однако реко­мендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению диодов.


 

Импульсные диоды

 

Во многих современных радиоэлектронных устройствах полупровод-никовые диоды часто работают в импульсном режиме (импульсных цепях) при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n переходов (доли микроварад). Рассмотрим особенности этого режима на примере, когда диод соединен последовательно с нагрузкой, сопротивление которой Rн во много раз больше прямого сопротивления диода (Rн» Rпр

) (рисунок 2.28). Пусть такая цепь находится под действием импульсного напряжения, которое состоит из короткого импульса прямого напряжения (положительного импульса), отпирающего диод, и более длительного импульса обратного напряжения (отрицательного импульса), надежно запирающего диод до прихода следующего положительного импульса. Импульсы напряжения имеют прямоугольную форму (рисунок 2.28, а).

График тока, а следовательно, и пропорционального ему напряжения на показан для этого случая на рисунке 2.28, б. При прямом напряжении ток в цепи определяется сопротивлением Rн. Хотя прямое сопротивление диода нелинейно, но оно почти не влияет на ток, так как во много раз меньше Rн. Поэтому импульсы прямого тока почти не искажены. Некоторые сравнительно небольшие искажения могут наблюдаться только при очень коротких (длитель­ностью в доли микросекунды) импульсах.

При перемене полярности напряжения, т. е. при подаче обратного напряжения, диод запирается не сразу, а в течение некоторого времени проходит им­пульс обратного тока (рисунок 2.28,

б), значительно превосходящий по амплитуде обратный ток в установившемся режиме iобр. уст.

 
Рисунок 2.28 — Импульсный режим работы диода

Главная причина это разряд диффузионной емкости, т. е. рассасывание зарядов, образованных подвижными носителями в n- и р-областях. Поскольку концентрации примесей в этих областях обычно, весьма различны, то практически импульс обратного тока создается рассасыванием заряда, накопленного в базе, т. е. в области с относительно малой проводимостью. Например, если n-область является эмиттером, а р-область — базой, то при прямом токе можно пренебречь потоком дырок из р-области в n-область и рассматривать только поток электронов из n-области в р-область.

Этот диффузионный поток через переход вызывает накопление электронов в р-области, так как они не могут сразу рекомбинировать с дырками

или дойти до вывода от р-области. При перемене полярности напряжения накопленный в базе заряд начинает двигаться в обратном направлении и возникает импульс обратного тока. Чем больше был прямой ток, тем больше электронов накапливалось в базе и тем сильнее импульс обратного тока. Двигаясь от базы обратно в эмиттер, электроны частично рекомбинируют с дырками, а частично проходят через n-область до металлического вывода от этой области.

Исчезновение (рассасывание) заряда, накопленного в базе, длится некоторое время. К концу рассасывания обратный ток достигает своего установившегося, весьма малого, значения iобруст. Иначе можно сказать, что обратное сопротивление диода Rобр сначала оказывается сравнительно небольшим, а затем постепенно возрастает до своего нормального установившегося значения.

Время τвос от момента возникновения обратного тока до момента, когда он принимает установившееся значение, называют временем восстановления обратного сопротивления. Это время — важный параметр диодов, предназначенных для импульсной работы. У таких диодов τвос не превышает десятых долей микросекунды. Чем оно меньше, тем лучше: тогда диод быстрее запирается.

Вторая причина возникновения импульса обратного тока — заряд барьерной емкости диода под действием обратного напряжения. Зарядный ток этой емкости складывается с током рассасывания заряда, и в результате получается суммарный импульс обратного тока, который тем больше, чем больше емкость диода. Эта емкость у специальных диодов для импульсной работы не превышает единиц пикофарад.

Если импульс прямого тока имеет длительность значительно большую, чем длительность рассмотренных переходных процессов, то импульс обратного тока получается во много раз более коротким (рисунок 2.28, в) и его можно не принимать во внимание.

Уменьшение емкостей достигается за счёт уменьшения площадей p-n переходов. Для уменьшения τвос диоды изготавливают так, чтобы ёмкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Допускаются мощности рассеяния у них невелики (30-40 мВт).

По способу создания р-n переходов импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, меза- и планарно-диффузионные [7].

В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе. ВАХ диодов Шотки напоминает характеристику диодов на основе p-n переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад приложенного напряжения (декада – изменение значения в 10 раз) представляет почти идеальную экспонициальную кривую, а обратные токи малы (доли-десятки нА[1]).

Большинство конструкций импульсных диодов имеет металлостеклянный или стеклянный корпус.

На рисунке 2.29 показана конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б, предназначенных для применения в сверхбыстрых действующих формирователях импульсов. Выпускаются диоды в стеклянном корпусе. Масса диода не более 0,2 г.

 

 

Рисунок 2.29 — Конструкция германиевых импульсных микросплавных диодов 1Д508А, ГД508А, ГД508Б

 

На рисунке 2.30 показана конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А, предназначенного для применения в импульсных схемах. Выпускаются диоды в металлическом корпусе с гибкими выводами. Диод обозначается на корпусе продольной полосой красного цвта. Масса диода не более 0,15 г.

 

Рисунок 2.30 — Конструкция кремниевого диффузионного импульсного диода КД805А

Импульсные диоды обладают следующими основными параметрами:

1. Общая ёмкость диода Сд (доли nФ – несколько пФ)

2. Максимальная импульсное прямое напряжение Uпр и max (единицы В)

3. Максимально допустимый импульсный ток Iпр и max (сотни mA)

4. Время установления прямого напряжения tуст – время от момента подачи импульса прямого тока до достижения заданного значения прямого напряжения на нём (доли нс – доли мкс). Это время Зависит от скорости движения внутрь базы инпретированных через переход неосновных носителей, в результате которого наблюдается уменьшене её сопротивления.

5. Время восстановления обратного сопротивления диода tвост вост.)

Изготовление р-n-переходов методом диффузии примесей значительно улучшает параметр tвост.

Стабилитроны

Как было показано в пункте 1.3.5 вольт-амперная характеристика полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т. е. в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Их также называют опорными диодами, так как получаемое от них стабильное напряжение в ряде случаев используется в качестве эталонного. На рисунке 2.31 дана типичная вольт-амперная характе­ристика стабилитрона при обратном токе, показывающая, что в режиме ста­билизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как у обычных диодов.

 

 

Рисунок 2.31 — Вольтамперная характе­ристика стабилитрона при обратном токе

Кремниевые стабилитроны могут быть изготовлены на малые’ напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств.

Напряже­ние стабилизации Uст может быть примерно от 3 до 200 В. изменение тока стабилитрона от Imin до Imax составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность Рmах, рассеиваемая в стабилитроне, от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление Rд = Δu/Δi в режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напря­жения. Низковольтные стабилитроны небольшой мощности имеют сопротивле­ние Rд от единиц до десятков Ом. Чем меньше Rд, тем лучше стабилизация. При идеальной стабилизации было бы Rд = 0. Так как Rд является сопротивлением переменному току, то его не следует путать со статическим сопротивлением, т. е. сопротивлением постоянному току R0 = и/ i . Сопротивление Rо всегда во много раз больше Rд.Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения и„ при изменении температуры на один градус, т. е.

 

ТКН=ΔUст/(UстΔT) .                                            (2.10)

 

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10-5 до 10-3 К-1. Значение Uст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного по­лупроводника. Стабилитроны на напряжения до 7 В изготовляются из кремния с малым удельным сопротивлением, т. е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах п — р-переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то n-р-переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Простейшая схема применения стабилитрона показана на рисунке 2.32. Нагрузка (потребитель) включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне почти постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменения напряжения источника Е при его нестабильности почти полностью поглощаются ограничительным резистором Rогр.

 

Рисунок 2.32 — Схема включения стабилитрона

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряже­ние источника нестабильно, а сопротивление нагрузки Rнпостоянно. Для уста­новления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Rогр должно иметь определенное значение. Обычно Rогр рас­считывают для средней точки Т характеристики стабилитрона. Если напряже­ние Е меняется от Еmin до Еmax, то можно Rогр найти по следующей формуле:

 

                              Rогр = (Еср – Uст)/(Iср + IН) ,                                   (2.11)

 

где Еср = 0,5 (Еmin — Еmax) — среднее напряжение источника; Iср = 0,5 (Imin + Imax) — средний ток стабилитрона; Iн = Uст / Rн — ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным.

                 

 

Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное ЕmaxЕmin, должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором ещё сохраняется стабилизация, т. е. ImaxImin. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на ΔЕ, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

 

ΔЕ≤( ImaxImin) Rогр .                                                         (2.12)

 

Стабилизация в более широком диапазоне изменения Е возможна при увеличении Rогр. Но из формулы (2.12) следует, что большее Rогр получается при меньшем Iн, т. е. при большем Rн. Повышение Еср также дает увеличение Rогр.

Иногда необходимо получить стабильное напряжение более низкое, чем дает стабилитрон. Тогда последовательно с нагрузкой включают добавочный резистор, сопротивление которого легко рассчитать по закону Ома (рисунок 2.33).

Рисунок 2.33 — Включение добавочного резистора для понижения стабильного напряжения на нагрузке

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е= const, а Rн изменяется в пределах от Rн min до Rн max. Для такого режима Rогр можно определить по средним значениям токов по формуле

 

                         Rогр=(E-Uст)/(Iср+ Iн ср) ,                                          (2.13)

где Iн ср=0,5 (I н minI н max), при чём I н min=Uст/ Rн max и I н max= Uст/ Rн min.

 

Работу схемы в данном режиме можно объяснить так. Поскольку Rогр постоянно и падение напряжения на нем, равное Е — Uст, также постоянно, то и ток в Rогр, равный Iср+ Iн ср должен быть постоянным. Но последнее возможно только в том случае, если ток стабилитрона I и ток Iн изменяются в одинаковой степени, но в противоположные стороны. Например, если Iн увеличивается, то ток I на столько же уменьшается, а их сумма остается неизменной.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рисунок 2.34). Вследствие разброса характеристик и параметров у отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется. Оно допускается только при условии, что суммарная мощность, рассеиваемая на всех стабилитронах, не превышает предельной мощности одного стабилитрона.

 

 

Рисунок 2.34 — Последовательное включение стабилитронов

 

Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов (рисунок 2.35) в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое напряжение Uст, нежели стабилитрон VD2.

 

Рисунок 2.35 — Каскадное включение стабилитронов

Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации кст, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы по рисунку 2.32 можно написать

 

 .                                         (2.14)

 

Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить кст,
равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рисунок 2.35) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев (ячеек):

 

кст = кст1 кст2…                                                                (2.15)

 

и уже при двух звеньях достигает нескольких сотен.

Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что потери мощности в самом стабилитроне и на Rогр велики, особенно в схеме каскадного соединения.

Следует еще отметить, что если имеют место пульсации напряжения Е, то стабилитрон значительно сглаживает их. Это объясняется тем, что стабили­трон обладает малым сопротивлением переменному току. Оно обычно во много раз меньше Rогр. Поэтому большая часть напряжения пульсаций поглощается в Rогр, а на стабилитроне и на нагрузке будет лишь малая часть этого напряжения.

Конструкция стабилитронов очень незначительно отличается от конструкций выпрямительных диодов.

 

Стабисторы

Это полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабисторов используется не обратное напряже­ние, а прямое. Значение этого напря­жения мало зависит от тока в некото­рых его пределах. Как правило, стабисторы изготовляются из кремния и имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 В. Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков миллиампер. Для получения стабильного напряжения в единицы вольт соединяют последовательно не­сколько стабисторов. Особенность ста­бисторов – отрицательный температур­ный коэффициент напряжения, т. е. на­пряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычными стабилитронами, имеющими положи­тельный температурный коэффициент напряжения.

 

Варикапы

Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емко­сти, управляемые не механически, а электрически, т. е. изменением обратного напряжения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специ­альных схемах, например в так назы­ваемых параметрических усилителях. На рисунке 2.36 показана простейшая схема включения варикапа в колебательный контур. Изменяя с помощью потенцио­метра R обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную час­тоту контура. Добавочный резистор R1 с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Конденсатор Ср является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напря­жения замкнут накоротко катушкой L.

 

Рисунок 2.36 – Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве конденсатора переменной емкости

 

В качестве варикапов довольно ус­пешно можно использовать кремниевые стабилитроны при напряжении ниже UСТ, когда обратный ток еще очень мал и, следовательно, обратное сопротивление очень велико.

Туннельные диоды

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод из­готовляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией приме­сей (1019 —1020 см-3), т.е. с очень ма­лым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обыч­ных диодах. Такие полупроводники с ма­лым сопротивлением называют вырож­денными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике полу­чается в десятки раз тоньше (10-6 см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещен­ной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вслед­ствие малой толщины перехода напря­женность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 10б В/см.

В туннельном диоде, как и в обыч­ном, происходит диффузионное переме­щение носителей через электронно-ды­рочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет тун­нельный эффект. Он состоит в том, что согласно законам квантовой физики при достаточно малой высоте потенци­ального барьера возможно проникно­вение электронов через барьер без изме­нения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты потенциального барьера (в элект­рон-вольтах), совершается в обоих на­правлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются свобод­ные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения классической физики (в которой электрон рассматри­вается как частица материи с отрицатель­ным зарядом), но оказывается вполне ре­альным в явлениях микромира, подчи­няющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двой­ственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой стороны, он может проявлять себя как электро­магнитная волна. Но электромагнитная волна может проходить через потенци­альный барьер, т. е. через область элект­рического поля, не взаимодействуя с этим полем.

Процессы в туннельном диоде удоб­но рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны прово­димости в n- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности по­тенциалов в n-р-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон дру­гой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-воль­тах.

На рисунке 2.37 с помощью энергети­ческих диаграмм изображено возникно­вение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмот­рение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма на рисунке 2.37, а соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потен­циального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в ва­лентной зоне показаны энергетические уровни, полностью или частично заня­тые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также не заштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответству­ют уровням энергии, не занятым элект­ронами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, которым соответствуют одинаковые энергии. По­этому возможен туннельный переход электронов из области n в область р (прямой туннельный ток iпр) и из области р в область n (обратный туннельный ток io6p). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.

 

 

Рисунок 2.37 – Энергетические диаграммы p-n-перехода в туннельном диоде при различном приложенном напряжении

 

На рисунке 2.37, б показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого потенциальный барьер пони­зился на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход элект­ронов из области n в область р уси­ливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни с такими же энергиями, как энергии уров­ней, занятых электронами в зоне прово­димости области n. А переход электро­нов из валентной зоны области р в об­ласть n невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области n энергетическим уровням запрещенной зоны. Обратный туннельный ток от­сутствует, и результирующий ток дости­гает максимума. В промежуточных слу­чаях, например когда uпр = 0,05 В, су­ществует и прямой и обратный туннель­ный ток, но обратный ток меньше пря­мого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, по­лучающегося при uпр = 0,1 В.

Случай, показанный на рисунке 2.37, в, соответствует uпр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный пере­ход невозможен, так как уровням, за­нятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энерге­тические уровни, находящиеся в запре­щенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при боль­шем прямом напряжении.

Следует помнить, что при возраста­нии прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотренных значениях uпр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше тун­нельного тока, а при uпр > 0,2 В диф­фузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого то­ка обычного диода.

На рисунке 2.37, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение uобр = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимо­сти n-области. Поэтому резко возраста­ет обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Вольтамперная характеристика тун­нельного диода (рисунок 2.38) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при u = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает воз­растание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее уве­личение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннель­ного тока. Поэтому в точке Б полу­чается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для кото­рого характерно отрицательное сопро­тивление переменному току

 

Ri = Du/Di < 0.                                                (2.16)

 

После этого участка ток снова воз­растает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рисунке 2.38 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, не­жели у обычных диодов.

 

Рисунок 2.38 – Вольтамперная характеристика туннельного диода

 

Основные параметры туннельных диодов – ток максимума Iтах, ток ми­нимума Imin (часто указывается отноше­ние Imax/Imin, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение мак­симума U1 напряжение минимума U2, наибольшее напряжение U3, соответ­ствующее току Iтах на втором восхо­дящем участке характеристики (участок БВ). Разность DU = U3 – U1 называется напряжением переключения или напря­жением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения — десятые до­ли вольта. К параметрам также отно­сится отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков Ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения (доли наносекунды) и мак­симальная, или критическая, частота (сотни гигагерц).

Включая туннельный диод в различ­ные схемы, можно его отрицательным сопротивлением компенсировать поло­жительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получать режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивле­ния туннельного диода можно уничто­жить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простей­шая схема генератора колебаний с тун­нельным диодом показана на рисунке 2.39.

 

 

Рисунок 2.39 – Простейшая схема включения туннельного диода для генерации колебаний

 

Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При включении питания в контуре LC воз­никают свободные колебания. Без тун­нельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке знаками « + » и «–» без кружков (знаки « + » и «–» в кружках относятся к постоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке характеристики ток возрастает, т. е. пройдет дополни­тельный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта дополни­тельная энергия достаточна для компен­сации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.

Туннельный переход электронов че­рез потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки вре­мени: 10-12-10-14с, или 10-3-10-5нс. Поэтому туннельные диоды хорошо ра­ботают на сверхвысоких частотах. На­пример, можно генерировать и усили­вать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заме­тить, что частотный предел работы тун­нельных диодов практически определя­ется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктивностью его выводов и его активным сопротивлением.

Принцип усиления с туннельным ди­одом показан на рисунке 2. 40. Для полу­чения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и Rн. Сопротивление RH должно быть немного меньше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. Тогда при отсутствии входного напря­жения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падаю­щего участка (эта точка является пере­сечением линии нагрузки с характеристи­кой диода). При подаче входного на­пряжения с амплитудой Um вх линия нагрузки будет «совершать колебания», перемещаясь параллельно самой себе.


Рисунок 2.40 – Простейшая схема усилителя с туннельным диодом (а) и график, поясняющий процесс усиления (б)

 

Крайние ее положения показаны штри­ховыми линиями. Они определяют ко­нечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряже­ний, получаем амплитуду выходного напряжения Um вых, которая оказывается значительно больше амплитуды вход­ного. Особенность усилителя на тун­нельном диоде – отсутствие отдельной входной и отдельной выходной цепи, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими кас­кадами усиления. Усилители на тун­нельных диодах могут давать значитель­ное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.

Туннельный диод используется так­же в качестве быстродействующего переключателя, причем время переклю­чения может быть около 10–9 с, т.е. около 1 нс, и даже меньше. Схема ра­боты туннельного диода в импульсном режиме в общем случае такая же, как на рисунке 2.40, но только входное напря­жение представляет собой импульсы, а сопротивление RH должно быть не­сколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. На рисунке 2.41 показана диаграмма ра­боты туннельного диода в импульсном режиме. Напряжение питания Е выбрано таким, что при отсутствии входного импульса диод работает в точке А и ток получается максимальным (Imах), т. е. диод открыт. При подаче положитель­ного импульса входного напряжения прямое напряжение на диоде увеличи­вается и режим работы диода скачком переходит в точку Б. Ток уменьшается до минимального значения Imin, что ус­ловно можно считать закрытым состоянием диода. А если установить посто­янное напряжение Е, соответствующее точке Б, то можно переводить диод в точку А подачей импульсов напряже­ния отрицательной полярности.

 

Рисунок 2.41 – Работа туннельного диода в импульсном режиме

 

Туннельные диоды могут приме­няться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннель­ных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению, а также ма­лое потребление энергии от источника питания. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существен­ный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены зна­чительному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может приве­сти к нарушению нормальной работы того или иного устройства. Надо пола­гать, что в дальнейшем этот недостаток удастся свести к минимуму.

Если для диода применить полупро­водник с концентрацией примеси около 1018 см–3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и в вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рисунок 2.42). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежнему значителен, и поэтому та­кой диод хорошо пропускает ток в об­ратном направлении. Подобные диоды, получившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.

 

Рисунок 2.42 – Вольтамперная характеристика и условное графическое обозначение обращенного диода

 

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических гер­метичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, иссле­дуются новые полупроводниковые мате­риалы для них и проблемы замедления старения.


Рекомендуемые страницы:

Стабилитрон схема включения расчет — Мастер Фломастер

Стабилитрон :: Схемы включения стабилитрона

Базовая схема параллельного стабилизатора

Простейший параллельный стабилизатор состоит из балластного резистора, включенного последовательно между источником питания и нагрузкой, и стабилитрона, шунтирующего нагрузку на общий провод («на землю»). Его можно рассматривать как делитель напряжения, в котором в качестве нижнего плеча используется стабилитрон. Разница между напряжением питания и напряжением пробоя стабилитрона падает на балластном резисторе, а протекающий через него ток питания разветвляется на ток нагрузки и ток стабилитрона. Стабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи.

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

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

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

Последовательное и параллельное включение

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

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

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

Составной стабилитрон

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

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

Базовая схема последовательного стабилизатора

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

Умножение напряжения стабилизации

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

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

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

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

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

Генератор белого шума на стабилитроне

Собственные шумы стабилитрона лавинного пробоя имеют спектр, близкий к спектру белого шума. В стабилитронах на напряжение 9…12 В уровень шума достаточно высок для того, чтобы его можно было использовать для целенаправленной генерации шума. Частотный диапазон такого генератора определяется полосой пропускания усилителя напряжения и может простираться до сотен МГц. На приведённых иллюстрациях показаны две возможные конструкции усилителей: в первом случае верхняя граничная частота усилителя (1 МГц) задаётся ёмкостью С2, во втором она определяется полосой пропускания интегральных усилителей (900 Мгц) и качеством монтажа.

Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём. Отдельные ранние серии стабилитронов отличались особо высоким уровнем шума, но по мере совершенствования технологии их вытеснили малошумящие приборы. Поэтому в серийных изделиях более оправдано применение не стабилитронов, а высокочастотных биполярных транзисторов в обратном включении, например, разработанного ещё в 1960-е годы транзистора 2N918 — спектр его шума простирается до 1 ГГц.

Программируемые перемычки на стабилитронах

Стабилитрон на базе обратно-смещённого эмиттерного перехода интегрального планарного npn-транзистора («поверхностный стабилитрон») отличается от дискретных стабилитронов малым предельным током стабилизации. Максимальный обратный ток, допустимый в типовой эмиттерной структуре с металлизацией алюминием, не превышает 100 мкА. При больших токах в приповерхностном слое происходит видимая глазу вспышка и под слоем оксида возникает алюминиевая перемычка, навсегда превращающая погибший стабилитрон в резистор с сопротивлением около 1 Ом.

Этот недостаток интегральных стабилитронов широко используется в производстве аналоговых интегральных схем для точной подстройки их параметров. В технологии пережигания стабилитронов (англ. zener zapping ) параллельно с коммутируемыми сопротивлениями формируются элементарные стабилитронные ячейки. При необходимости скорректировать величину сопротивления цепи или коэффициент делителя напряжения ненужные стабилитронные ячейки пережигаются импульсами тока длительностью 5 мс и силой 0,3—1,8 A, закорачивая соответствующие им резисторы. Тот же приём может применяться и в цифровых ИС с металлизацией алюминием.

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 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 Uпор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток Iобр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение Uобр на диоде до определённого значения Uобр.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 Uст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации Iст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

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

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

Дифференциальное сопротивление стабилитрона rСТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔUCT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации ΔiCT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения Uпр и максимально допустимого постоянного прямого тока Iпр.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 RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.

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 Rн 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 = Ust – напряжение стабилизации;

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

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (Ust = 5,1 В, дифференциальное сопротивление rst = 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 Iст.max и Pmax 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 RH. 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 RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, 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 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h31e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.

Коэффициент стабилизации будет равен

где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re 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 RH. 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 RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) 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 IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где Rk – 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.

Чтобы подобрать стабилитрон для схемы, показанной на рис. 3, нужно знать диапазон входных напряжений U1 и диапазон изменения нагрузки RН.

Рис. 3. Схема включения стабилитрона.

Для примера рассчитаем сопротивление R и подберём стабилитрон для схемы на рис. 3 со следующими требованиями:

Генератор шума в полосе до 1 МГцГенератор шума в полосе 1—100 МГц
Линейный источник питанияИмпульсный источник питания
СтоимостьНизкаяВысока
МассаБольшаяНебольшая
ВЧ-шумОтсутствуетВысокий
КПД35 — 50 %70 — 90 %
Несколько выходовНетЕсть
ПараметрЗначение
НаименованиеОбозначение
Диапазон входных напряжений, ВU111…15
Выходное напряжение, ВU29
Диапазон нагрузок, мАIН50…100

Такая схема может потребоваться, например, для питания какого-либо устройства с небольшим потреблением от бортовой сети автомобиля.

Один из посетителей сайта нашёл в этой статье ошибку, за что я ему благодарен. Сейчас эта статья исправлена и содержит правильные расчёты.

Итак, для начала рассчитаем значение сопротивления R. Минимальное напряжение на входе равно 11 В. При таком напряжении мы должны обеспечить ток на нагрузке не менее 100 мА (или 0,1 А). Закон Ома позволяет определить сопротивление резистора: То есть цепь для обеспечения заданного тока на нагрузке должна иметь сопротивление не более 110 Ом.

На стабилитроне падает напряжение 9 В (в нашем случае). Тогда при токе 0,1 А эквивалент нагрузки: Тогда, для того чтобы обеспечить на нагрузке ток 0,1 А, гасящий резистор должен иметь сопротивление: С учётом того, что сам стабилитрон тоже потребляет ток, можно выбрать несколько меньшее сопротивление из стандартного ряда Е24 статью о резисторах). Но, так как стабилитрон потребляет небольшой ток, этим значением в большинстве случаев можно пренебречь.

Теперь определим максимальный ток через стабилитрон при максимальном входном напряжении и отключенной нагрузке. Расчёт нужно выполнять именно при отключенной нагрузке, так как даже если у вас нагрузка будет всегда подключена, нельзя исключить вероятность того, что какой-нибудь проводок отпаяется и нагрузка отключится.

Итак, вычислим падение напряжения на резисторе R при максимальном входном напряжении: А теперь определим ток через резистор R из того же закона Ома: Так как резистор R и стабилитрон VD включены последовательно, то максимальный ток через резистор будет равен максимальному току через стабилитрон (при отключенной нагрузке), то есть Нужно ещё рассчитать мощность рассеивания резистора R. Но здесь это мы делать не будем, поскольку данная тема подробно описана в статье Резисторы.

А вот мощность рассеяния стабилитрона рассчитаем: Мощность рассеяния – очень важный параметр, который часто забывают учесть. Если окажется, что мощность рассеяния на стабилитроне превысит максимально допустимую, то это приведёт к перегреву стабилитрона и выходу его из строя. Хотя при этом ток может быть в пределах нормы. Поэтому мощность рассеяния как для гасящего резистора R, так и для стабилитрона VD нужно всегда рассчитывать.

Осталось подобрать стабилитрон по полученным параметрам:

UСТ = 9 В – номинальное напряжение стабилизации
IСТ.МАКС = 300 мА – максимально допустимый ток через стабилитрон
РМАКС = 2700 мВт – мощность рассеяния стабилитрона при IСТ.МАКС

По этим параметрам в справочнике находим подходящий стабилитрон. Для наших целей подойдёт, например, стабилитрон Д815В.

Надо сказать, что этот расчет довольно грубый, так как он не учитывает некоторые параметры, такие, например, как температурные погрешности. Однако в большинстве практических случаев описанный здесь способ подбора стабилитрона вполне подходит.

Стабилитроны серии Д815 имеют разброс напряжений стабилизации. Например, диапазон напряжений Д815В – 7,4…9,1 В. Поэтому, если нужно получить точное напряжение на нагрузке (например, ровно 9 В), то придётся опытным путём подобрать стабилитрон из партии нескольких однотипных. Если нет желания возиться с подбором «методом тыка», то можно выбрать стабилитроны другой серии, например серии КС190. Правда, для нашего случая они не подойдут, поскольку имеют мощность рассеивания не более 150 мВт. Для повышения выходной мощности стабилизатора напряжения можно использовать транзистор. Но об этом как-нибудь в другой раз…

И ещё. В нашем случае получилась довольная большая мощность рассеивания стабилитрона. И хотя по характеристикам для Д815В максимальная мощность 8000 мВт, рекомендуется устанавливать стабилитрон на радиатор, особенно если он работает в сложных условиях (высокая температура окружающей среды, плохая вентиляция и т.п.).

Если необходимо, то ниже вы можете выполнить описанные выше рассчёты для вашего случая

150-151.htm

Предельные эксплуатационные данные:

Минимальный, ток стабилизации при Т=—60 — 4-125 °С р=665—297 198 Па, мА . .                                                ‘ 1

Максимальный ток стабилизации, мЛ-Т=— 60н-+35°С 2С551А, КС551А . .                                                        14 6

2С591А, КС591А .                        …….8 8

2С600А, КС600А.тсялнней,ю М°ЩИ0СТН » постоя»ные ««- стабилизации

только t;S;:«a ЧеРСЗСТабйлитР°« Допускается

KoDnvci1 иПГКаеТСЯ «ЗГИ&ВЫВ°Д°В «а расстоянии не менее 2 мм от менее 5 мм •<аспл101«еин0* части трубки, пачки на расстоянии не

150

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения

Устройство

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении Uпор

, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь
ток Iобр
, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать
обратное напряжение Uобр
на диоде до определённого
значения Uобр.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

Вольт-амперная характеристика

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

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

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

Области применения

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

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

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

Основные характеристики

В паспорте стабилизирующего диода указывают следующие параметры:

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

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

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

Способы включения – последовательное и параллельное

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

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

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

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

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

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

Как проверить светодиод мультиметром?

Тестирование светодиодных устройств ламп или просто светодиодов гораздо проще с цифровым мультиметром, который даст вам четкое представление о том, насколько сильны каждый из светодиодов. Яркость светодиода при его тестировании также укажет на его качество. Если у вас нет мультиметра для использования, простой держатель батареи для круглых батарей с выводами даст вам знать, работают ли ваши светодиоды.

Как проверить светодиод мультиметром?


Приобретите цифровой мультиметр, который может проверять диоды.
Мультиметры измеряют только показатели, вольт и омы. Для тестирования светодиодных индикаторов вам понадобится мультиметр с настройкой диода. Проверьте онлайн или в местном магазине аппаратных средств для мультиметров среднеценового и высокоценового диапазона, которые, скорее всего, будут иметь эту функцию, в сравнении с недорогими моделями.

Подключите красный и черный измерительные провода.
Красный и черный измерительные провода должны быть подключены к выходам на передней панели мультиметра. Красный провод – положительный заряд. Черный провод является отрицательным и должен быть подключен к входу с надписью «COM».

Поверните колесико мультиметра в положение диода.
Поверните циферблат на передней панели мультиметра по часовой стрелке, чтобы отодвинуть его от положения «выключено». Продолжайте поворачивать его, пока не приземлитесь на настройку диода. Если он не помечен явно, настройка диода может быть представлена ​​символом схемы диода.

Символ диода визуально представляет собой как его клеммы, так и катод и анод

Подключите черный зонд к катоду и красный зонд к аноду.

Прикоснитесь к черному зонду к катодному концу светодиода, который обычно является более коротким. Затем нажмите красный зонд на анод, который должен быть длинным. Обязательно подключите черный зонд перед красным зондом, так как обратное может не дать вам точного показания.

  • Убедитесь, что катод и анод не касаются друг друга во время этого теста, что может препятствовать прохождению тока через светодиодный индикатор и затруднять результаты.
  • Черные и красные контакты также не должны касаться друг друга во время теста.
  • Выполнение соединений должно привести к тому, что светодиод засветится.


Проверьте значение на цифровом дисплее мультиметра.
Когда контакты мультиметра касаются катода и анода, неповрежденный светодиод должен отображать напряжение приблизительно 1600 мВ. Если во время теста на экране не появляется показаний, повторите попытку, чтобы убедиться, что соединения выполнены правильно. Если вы правильно выполнили тест, это может быть признаком того, что светодиодный индикатор не работает.

Метод комфортен для всех типов светоизлучающих диодов, независимо от их выполнения и количества выводов. Замыкая красноватый щуп на анод, а темный на катод исправный светодиод должен засветиться. При смене полярности щупов на дисплее тестера должна оставаться цифра 1. Свечение излучающего диодика во время проверки будет маленький и на неких светодиодах при ярчайшем освещении может быть неприметно. Для четкой проверки разноцветных LED с несколькими выводами следует знать их распиновку. В неприятном случае придется наобум перебирать выводы в поисках общего анода либо катода. Не стоит страшиться тестировать массивные светодиоды с железной подложкой. Мультиметр не способен вывести их из строя, методом замера в режиме прозвонки. Проверку светодиода мультиметром можно выполнить без щупов, используя гнезда для тестирования транзисторов.

Оцените яркость светодиода.

Когда вы делаете правильные подключения для проверки своего светодиода, он должен засветится. Отметив показания на цифровом экране, посмотрите на сам светодиод. Если он не нормально светится, выглядит тусклым, это, скорее всего, некачественный светодиод. Если он сияет ярко, это,скорее всего качественный рабочий светодиод.

Мы надеемся, что в данной статье вы нашли все ответы на вопросы

Составные стабилитроны

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

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

Виды стабилитронов

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

Прецизионные

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

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

Быстродействующие

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

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

Способы проверки

Любой ремонт электроники и электрооборудования начинается с внешнего осмотра, а потом переходят к измерениям. Такой подход позволяет локализовать большую часть неисправностей. Чтобы найти варистор на плате посмотрите на рисунок ниже — так выглядят варисторы. Иногда их можно перепутать с конденсаторами, но можно отличить по маркировке.

Если элемент сгорел и маркировку прочесть невозможно — посмотрите эту информацию на схеме устройства. На плате и в схеме он может обозначаться буквами RU. Условное графическое обозначение выглядит так.

Есть три способа проверить варистор быстро и просто:

  1. Визуальный осмотр.
  2. Прозвонить. Это можно сделать муьтиметром или любым другим прибором, где есть функция прозвонки цепи.
  3. Измерением сопротивления. Это можно сделать омметром с большим пределом измерений, мультиметром или мегомметром.

Варистор выходит из строя, когда через него проходит большой или длительный ток. Тогда энергия рассеивается в виде тепла, и если её количество больше определённого конструкцией — элемент сгорает. Корпус этих компонентов выполняется из твердого диэлектрического материала, типа керамики или эпоксидного покрытия. Поэтому при выходе из строя чаще всего повреждается целостность наружного покрытия.

Можно визуально проверить варистор на работоспособность — на нем не должно быть трещин, как на фото:

Следующий способ — проверка варистора тестером в режиме прозвонки. Сделать это в схеме нельзя, потому что прозвонка может сработать через параллельно подключенные элементы. Поэтому нужно выпаять хотя бы одну его ножку из платы.

Важно: не стоит проверять элементы на исправность не выпаивая из платы – это может дать ложные показания измерительных приборов. Так как в нормальном состоянии (без приложенного к выводам напряжения) сопротивление варистора большое — он не должен прозваниваться

Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра

Так как в нормальном состоянии (без приложенного к выводам напряжения) сопротивление варистора большое — он не должен прозваниваться. Прозвонку выполняют в обоих направлениях, то есть два раза меняя местами щупы мультиметра.

На большинстве мультиметров режим прозвонки совмещен с режимом проверки диодов. Его можно найти по значку диода на шкале селектора режимов. Если рядом с ним есть знак звуковой индикации — в нем наверняка есть и прозвонка.

Другой способ проверки варистора на пробой мультиметром является измерение сопротивления. Нужно установить прибор на максимальный предел измерения, в большинстве приборов это 2 МОма (мегаомы, обозначается как 2М или 2000К). Сопротивление должно быть равным бесконечности. На практике оно может быть ниже, в пределах 1-2 МОм.

Интересно! То же самое можно сделать мегаомметром, но он есть далеко не у каждого. Стоит отметить, что напряжение на выводах мегаомметра не должно превышать классификационное напряжение проверяемого компонента.

На этом заканчиваются доступные способы проверки варистора. В этот раз мультиметр поможет радиолюбителю найти неисправный элемент, как и в большом количестве других случаев. Хотя на практике мультиметр в этом деле не всегда нужен, потому что дело редко заходит дальше визуального осмотра. Заменяйте сгоревший элемент новым, рассчитанным на напряжение и диаметром не меньше чем был сгоревший, иначе он сгорит еще быстрее предыдущего.

Регулируемые стабилитроны

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

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

Способы маркировки

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

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

Емкость стабилитрона

Как правило, информация о том, сколько вольт имеет стабилитрон, указана на корпусе самого аппарата. Также эти данные указываются в технической документации. В случае, если надписи и документации нет, есть третий вариант того, как узнать, на сколько вольт стабилитрон — поискать эту информацию в интернете. Старые модели можно отыскать в интернет-справочниках. Зарубежные модели имеют более простую маркировку, нежели российские аналоги. Все сведения отражаются на корпусе устройства под буквой V.

Вам это будет интересно Работа со сварочным аппаратом


Надпись с количеством вольтов в устройстве

Как отличить стабилитрон от обычного диода

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


Схема приставки к мультиметру

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

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

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

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

Инструкция по проверке

В ответ на вопрос, как проверить диод мультиметром, не выпаивая, необходимо уточнить, чтобы успешно его проверить, как и стабилитрон, необходимо взять его и мультиметр, сделать прозвонок. Как правило, многие из устройств оснащены функцией диодной проверки. По инструкции она выглядит таким образом:

Анод и катод

  1. Все, что нужно, это перевести регулятор на функцию проверки, взять концы мультиметра и присоединить их к диодной сборке. К знаку минус нужно поднести анод, а к знаку плюс – катод. Нередко это просто белые и красные полосы соответственно.
  2. Затем появятся значения порогового напряжения и значение с показаний проверки.

Подключение анода и катода

Обратите внимание! В ходе проверки выпрямительного светодиода шотка или schottky прикасаться руками к одному из зарядов нельзя, поскольку корректными показания в таком случае не будут. В ходе первого определения нужно повторить процедуру в противоположном порядке

Так, анод нужно поместить к знаку плюс, а катод – минус. При таком подключении на мультиметр поступит цифра 1. Это значит, что ток не течет. Все под защитой.

Стоит отметить, что более подробная инструкция со схемами, ответами на популярные вопросы о светодиодных узких супрессорах и предупреждениях дана в инструкции к каждому мультиметру.

Мультиметр для проверки диодной сборки

Проверка на исправность полупроводниковых элементов

Чтобы проверить полупроводниковые элементы на исправность, необходимо воспользоваться цифровым измерительным мультиметром с крышкой и большим функционалом. Большинство из них оснащены подобной функцией прозвона моста и генератора, поэтому сделать процедуру проверки может каждый желающий. Все что нужно, это прозвонить с помощью многофункционального мультиметра свободный диод, установить регуляторную ручку на измерительном приборе и нажать кнопку с данным обозначением на управленческой приборной панели. Далее необходимо подключить соответствующий красный щуп к аноду, а черный к катоду. Только так прибор измерит все правильно.

Обратите внимание! Понять, где анод, а где катод, несложно, прочитав описание к модели мультиметра, или воспользоваться помощью электронщика. Как правило, на каждом проводке имеется своя маркировка, благодаря которой понять, где что находится, очень просто в конкретной ситуации

В результате должно получиться пороговое прямое напряжение. Если есть повреждение какого-то элемента, то на панели появится ноль напротив того электрода, который будет подключен, или цифра выше или ниже допустимой.

В ответ на то, как проверить диодную сборку мультиметром, если специального режима в мультиметре нет, можно указать, что необходимо собрать схему: соединить источник питания с резистором и проверяемым полупроводником. Затем подключить элемент анода к резистору, а катод к источнику питания. Далее следует нажать пуск и посмотреть, в каком состоянии находится полупроводниковый элемент. Как и в прошлом случае, исправный элемент измерителем будет выдавать прямое напряжение.

Проверка мультиметром без выпаивания

Без выпаивания мультиметром можно проверить электроды. Все что нужно, это выбрать на устройстве сопротивляющий измерительный режим с диапазоном в 2 кОм. Затем стандартно нужно присоединить красный проводок к части анода, а черный к части катода. Так будет показана цифра напряжения в омах. Как правило, при разрыве цепи измерение получается с цифрой выше допустимого или со значением 0.

Обратите внимание! Важно понимать, что для проверки оборудования и полупроводниковых элементов необходимо полностью действовать в соответствии с представленной к мультиметру инструкцией. Также необходимо понимать важные физические моменты и немного понимать в электронике для составления правильной электрической схемы. В противном случае отсутствие знаний может затруднить работу с мультиметром

В противном случае отсутствие знаний может затруднить работу с мультиметром.

Правильность подключения электродов залог успешной проверки

Как правильно подобрать стабилитрон?

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

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

Проверка транзистор-тестером

Проверить на работоспособность полупроводниковых элементов можно с помощью универсального тестера радиокомпонентов. Часто его называют транзистор-тестером.

Это универсальный измерительный прибор с цифровым индикатором. С помощью транзистор-тестера можно проверить различные радиодетали. К ним относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. А также и полупроводниковые приборы, транзисторы, тиристоры, диоды, стабилитроны, супрессоры и т.п.

Для проверки работоспособности, зажмите детальку в ZIF-панельке (специальном разъёме с рычагом для зажимания элементов), после чего на дисплее высвечивается схемное обозначение элемента. Однако рассматриваемые в этой статье элементы проверяются как обычные диоды. Поэтому не стоит рассчитывать, что транзистор тестер определит, на какое напряжение стабилитрон. Для этого все равно нужно будет собрать схему типа той, что показана выше или такую как рассмотрим далее.

Рекомендуем посмотреть видео о том, что такое универсальный транзистор-тестер и как им проверять радиоэлектронные компоненты.

Тестер, также как и мультиметр, проверяет целостность -n перехода и корректно определяет напряжением стабилизации стабилитронов до 4,5 вольт.

При ремонте аппаратуры, рекомендуется элемент стабилизации менять на новый. Не зависимо от наличия исправного p-n перехода. Т.к. высока вероятность, что у диода изменилось напряжение стабилизации или оно может произвольно меняться в процессе работы аппаратуры.

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

Стабилитрон КС211Ж Новый Набор 200штук 0.125Вт 12мА 11В

Опис

Стабилитрон КС211Ж Новый Набор 200штук 0.125Вт 12мА 11В. Цена за 200штук! Количество уточняйте!

Стабилитроны КС211Ж кремниевые, планарные, малой мощности.
Предназначены для стабилизации номинального напряжения 11 В в диапазоне токов стабилизации 0,5…12 мА в измерительной аппаратуре, в усилителях для согласования уровней, в системах автоматики для питания маломощных датчиков, а также для стабилизации импульсного напряжения и ограничения импульсных сигналов.
Выпускаются в металло-стеклянных корпусах с гибкими выводами.
Стабилитроны маркируются условным цветным кодом, в состав которого входят цвет окраски корпуса и цвет кольцевой полосы со стороны анодного вывода: КС211Ж – корпус серый, полоса синяя.
Масса стабилитрона не более 0,3 г.
Тип корпуса: КД-3.
Технические условия: аА0.336.110 ТУ.

Основные технические параметры стабилитрона КС211Ж:
– Номинальное напряжение стабилизации: 11 В при Iст 4 мА;
– Разброс напряжения стабилизации: 10,4… 11,6 В;
– Температурный коэффициент напряжения стабилизации: 0,092 %/°С;
– Временная нестабильность напряжения стабилизации стабилитрона: ±1,5 %;
– Дифференциальное сопротивление стабилитрона : 40 Ом при Iст 4 мА;
– Минимально допустимый ток стабилизации: 0,5 мА;
– Максимально допустимый ток стабилизации: 12 мА;
– Максимально-допустимая рассеиваемая мощность на стабилитроне: 0,125 Вт;
– Рабочий интервал температуры окружающей среды: -60… +125 °С.

В режиме стабилизации напряжения стабилитрон должен быть включен полярностью, обратной указанной на корпусе. Протекание через стабилитрон прямого тока допускается толь­ко при переходных процессах. Разрешается работа стабилитронов при обратных напряжениях от нуля до напряжения стабилизации. Изгиб выводов допускается не ближе 3мм от корпуса с радиусом закругления не менее 1,5мм. Растягивающая выводы сила не должна превышать 9,8Н. Пайка выводов допускается не ближе 5мм от корпуса. Температура корпуса при пайке не должна превышать +125°С. Допускается последовательное или параллельное соединение любого числа стабилитронов.

Стабилитрон

— Справочник по электронике

Меню курса Модуль 1 Введение в теорию электричества Модуль 2 Основные концепции Модуль 3 — Цепи постоянного тока Введение в цепи постоянного тока Резисторы и резисторы Конденсаторы и схемы конденсаторов Модуль 5 — Полупроводники Модуль 6 — Аналоговые схемы

Стабилитроны — один из самых интересных типов диодов с точки зрения их работы и использования. Стабилитрон — это диод с обратным смещением. Как и другие диоды, стабилитроны проводят при прямом смещении. Однако они также предназначены для прохождения тока при приложении достаточно большого отрицательного смещения. Это называется стабилитроном.

Что такое стабилитроны?

Стабилитроны — это особый тип диодов. Как и другие диоды, они по сути являются P-N переходами и позволяют току течь, пока они смещены в прямом направлении. Однако, в отличие от других диодов , они также предназначены для протекания тока при отрицательном смещении .

Вы можете вспомнить, что обычные диоды также пропускают ток при приложении достаточно большого обратного смещения, называемого напряжением пробоя (V B ). Есть два основных различия между обычными диодами и стабилитронами:

Первый , напряжение стабилитрона (V Z ) стабилитрона намного меньше, чем напряжение пробоя (V B ) обычного диода. Напряжение стабилитрона (V Z ) составляет около -2,5 В, тогда как обычные диоды часто имеют напряжение пробоя (V B ) от -50 В до -100 В.Не менее важно, что стабилитроны с сотнями значений V Z широко доступны, что упрощает создание схемы с ними.

Вторые , стабилитроны спроектированы так, чтобы выдерживать отрицательное смещение без повреждения самого диода, и разработаны специально для этой цели.

В результате стабилитроны обычно используются в режиме обратного смещения.

Стабилитроны названы в честь физика Кларенса Зенера, который был первым ученым, который точно объяснил электрический пробой изоляторов.

Характеристическое напряжение стабилитрона стабилитрона возможно из-за явления, называемого эффектом стабилитрона . Эффект Зинера основан на квантовой механике. Когда P-N-переход диода делается достаточно узким, отрицательное смещение создает большую область обеднения. Возникает результирующее электрическое поле через область истощения. Отрицательное смещение больше, чем V Z , тогда позволит электронам туннелировать через область обеднения, что приведет к сильному току через диод.

Анод и катод стабилитрона

Направленность стабилитрона обычно обозначается кольцом , обозначающим катод . Для цветных стабилитронов (часто красных) катодное кольцо обычно черное. Для черных стабилитронов катодное кольцо обычно серое. Вы также можете дважды проверить направленность с помощью мультиметра, как описано в разделе ниже, посвященном тестированию / поиску и устранению неисправностей стабилитронов.

В то время как стандартные диоды чаще всего используются в конфигурации с прямым смещением, стабилитроны предназначены для использования с обратным смещением.Это означает, что катод стабилитрона будет на положительной (+) стороне схемы, а анод — на отрицательной (-) стороне.

Стабилитрон и диод

Стабилитроны — это разновидность диодов; как и другие диоды, они основаны на P-N переходах.

Однако большинство диодов предназначены для работы в качестве одностороннего или обратного клапана в цепи. Другими словами, большинство диодов работают, позволяя току течь только в одном направлении. Обычные диоды используются в схемах с прямым смещением, что означает, что на диод подается положительное напряжение, а ток направляется от анода («p-сторона» перехода) к катоду («n- сторона ‘стыка).

Стабилитроны фактически предназначены для использования в противоположной ориентации (с приложенным отрицательным смещением). Как и другие диоды, они по-прежнему пропускают ток с прямым смещением. Стабилитроны обычно размещаются в цепи в положении обратного смещения. У них есть характерное напряжение, называемое напряжением Зенера (V Z ). Если приложено обратное смещение, превышающее напряжение стабилитрона, стабилитрон позволит току течь в обратном направлении.

Разница между стандартными диодами и стабилитронами в первую очередь связана с конструктивными различиями. По сравнению с обычными диодами стабилитроны имеют гораздо более высокий уровень легирования и более узкий P-N-переход.

Как используются стабилитроны?

Стабилитроны обладают двумя свойствами, которые оказались невероятно полезными во многих схемах.

Первые , стабилитроны пропускают ток, только когда на них подается достаточно высокое напряжение. Таким образом, они могут функционировать как шунтирующий регулятор, который похож на электрическую версию регулятора давления.Если напряжение в цепи слишком высокое, можно использовать стабилитрон для направления избыточного тока на землю, тем самым защищая цепь.

Второй , стабилитроны также поддерживают стабилитрона независимо от того, какое напряжение или ток подается в схему. В отличие от резисторов (которые также вызывают преднамеренное падение напряжения), стабилитроны всегда производят примерно одинаковое падение напряжения, несмотря на колебания тока. Это потому, что они полагаются на эффект пробоя стабилитрона, а не на электрическое сопротивление, чтобы вызвать падение напряжения.Этот эффект называется регулированием напряжения. Хотя есть еще небольшое отклонение (более высокий ток через стабилитрон приводит к немного более высокому напряжению на диоде), отклонение относительно невелико. Это делает их превосходными для создания опорных напряжений и для регулирования напряжения в целом.

Одним из приложений, использующих оба этих свойства, является ограничитель формы сигнала. В ограничителе формы сигнала два стабилитрона противоположной конфигурации используются для сглаживания пиков переменного сигнала.Один стабилитрон всегда находится в положительном смещении и пропускает ток, а другой стабилитрон предотвращает превышение напряжением стабилитрона. Это может быть полезно для предотвращения чрезмерно высокого или низкого напряжения от источника переменного тока или для изменения волновой функции сигнала переменного тока.

Тестирование / поиск и устранение неисправностей стабилитрона

Стабилитроны можно проверить с помощью простого мультиметра или омметра. Самый простой способ проверить или устранить неисправность стабилитрона — это посмотреть на его электрическое сопротивление.

Чтобы проверить сопротивление стабилитрона, вы должны использовать мультиметр для проверки сопротивления в обоих направлениях.

Шаг первый : Удалите или изолируйте стабилитрон из цепи, если применимо.

Шаг второй : Проверьте сопротивление в конфигурации «положительное смещение». Поместите отрицательный / черный провод мультиметра на катод — сторону стабилитрона с черной или серой полосой. Затем поместите положительный / красный провод мультиметра на анод (сторона без полосы) диода.Мультиметр должен показывать умеренное сопротивление от нескольких сотен до нескольких тысяч Ом.

Шаг третий : Проверьте сопротивление в конфигурации «отрицательное смещение». Для этого поменяйте местами выводы мультиметра, поместив отрицательный вывод на анод, а положительный — на катод. В этой конфигурации мультиметр должен показывать гораздо более высокое сопротивление, превышающее 1 МОм (но не бесконечно).

Если сопротивление было очень низким в обоих направлениях, стабилитрон, вероятно, закорочен.В конфигурации с прямым смещением должно быть умеренное сопротивление, а в конфигурации с обратным смещением должно быть высокое сопротивление.

Если сопротивление было слишком высоким в обоих направлениях, стабилитрон может быть открыт. Он должен измерять только очень высокое сопротивление в конфигурации с отрицательным смещением.

Как работают стабилитроны?

Кривая тока — напряжения стабилитрона

Кривая вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона похожа на кривую обычного диода.Основное отличие состоит в том, что напряжение стабилитрона (V Z ) возникает с гораздо меньшим отрицательным смещением, чем напряжение пробоя (V B ) обычного диода.

Для функционирования стабилитрона обратное смещение должно быть больше, чем характеристическое напряжение стабилитрона (V Z ) диода. Например, если VZ составляет -2,5 В, смещение -2,6 В заставит стабилитрон работать правильно.

Стабилитроны также демонстрируют то, что называется изгибом или областью изгиба .Если приложено отрицательное смещение, меньшее, но близкое к V Z , ток все еще может проходить через стабилитрон. Однако стабилитрон не будет нормально работать; вместо того, чтобы напряжение было стабильным с изменяющимся током, оно будет сильно зависеть от приложенного тока.

Если приложено прямое смещение, стабилитрон будет работать как обычный диод, пропуская ток, пока прямое смещение превышает пороговое напряжение V F .

Пробой Зенера

Стабилитроны работают по принципу Пробоя Зенера. Когда P-N-переход делается узким, достаточное напряжение может заставить электроны туннелировать через область обеднения на противоположную сторону перехода. Туннелирование — это квантово-механическое явление, которое возникает из-за дуальности электрона волна-частица. В квантовой механике электроны моделируются как волновые функции, а не как простые «частицы». Они разбросаны в пространстве с вероятностью оказаться в определенной точке.Из-за этой вероятностной природы, если барьер (например, область обеднения) сделать достаточно малым, существует вероятность того, что электрон сможет туннелировать через барьер на другую сторону.

Вот как происходит пробой стабилитрона; при наличии достаточной энергии электрического потенциала шансы туннелирования электрона через барьер резко возрастают.

Лавинный пробой

В отличие от стабилитронного пробоя, лавинный пробой происходит при значительно большем обратном смещении и основан на другом принципе действия.

Во время лавинного пробоя свободные электроны и дырки возбуждаются до таких высоких уровней, что сталкиваются с другими свободными электронами и дырками, ускоряя их через область обеднения. Это аналогично тому, как высокоскоростной снег сталкивается со снегом, лежащим на склоне, и создает лавину, спускающуюся с горы.

Стабилитрон против лавинного пробоя

Стабилитроны часто полагаются на лавинный пробой, когда применяется достаточно высокое обратное смещение. В большинстве случаев пробой ниже обратного смещения 5 вольт вызван пробоем стабилитрона.При обратном смещении выше 5 вольт доминирующим режимом обычно является лавинный пробой.

Влияние температуры на стабилитроны

Пробой на стабилитроне имеет отрицательный температурный коэффициент; при повышении температуры напряжение стабилитрона уменьшается. Для генерации тока через диод требуется меньшее обратное смещение. Это связано с тепловой энергией электронов при более высоких температурах. Тепловая энергия увеличивает общую энергию электронов, позволяя им легче туннелировать через область обеднения.

С другой стороны, лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент. При повышении температуры увеличивается вибрация электронов, дырок и атомов. Это уменьшает среднюю длину пробега электронов и дырок, также известную как их длина свободного пробега . На пути к стыку они сталкиваются с большим количеством препятствий, а это означает, что они с меньшей вероятностью будут ускорять свободные электроны или дырки через переход. Таким образом, более высокая температура увеличивает напряжение лавинного пробоя.

Эти два эффекта имеют тенденцию нейтрализовать друг друга, что делает стабилитроны более надежными в более широком диапазоне температур.

Модуль 5 — Полупроводники

Урок 0 : Введение в модуль 5

Урок 1 : Введение в полупроводники

Урок 2 : Легирование полупроводников

Урок 3 : PN 9024 соединения

4 : Диоды

Урок 5: Светоизлучающие диоды

Урок 6 : Стабилитроны

Урок 7 : Транзисторы

Урок 8 : Биполярные переходные транзисторы1

Стабилитроны 9000

Стабилитроны позволяют току проходить в нормальном направлении, как и любой нормальный диод, и с 0.Падение 6В, опять же, как и любой нормальный диод. Их отличие в том, что, в отличие от обычного диода, который блокирует ток в обратном направлении (до тех пор, пока вы не достигнете его обратного напряжения пробоя), стабилитрон будет блокировать ток в обратном направлении, пока не будет достигнуто его заданное напряжение, а затем он будет пропускать ток. течь. Это означает, что при использовании в обратном направлении стабилитрон вызовет падение напряжения на заданную величину (примерно — напряжение стабилитрона будет варьироваться в зависимости от условий, допуска и т. Д.) Аналогично 0.6Виш сбрасывается нормальным диодом, работающим в режиме нормального прямого тока.

Важные характеристики

Vz = стабилитрон (падение напряжения на диоде)

Iz (или Itest и т. Д.) = Ток, проходящий через него. Это ток, который дает другие характеристики

Zz = импеданс / сопротивление переменному току. У стабилитрона есть внутреннее сопротивление, которое можно представить как последовательный резистор внутри диода. Это динамическое сопротивление — оно меняется в зависимости от тока, температуры и т. Д.

Мощность — помните, что стабилитрон будет нагреваться пропорционально рассеиваемой мощности, как, скажем, линейный регулятор напряжения!

Расчет номинала резистора, который нужно подключить последовательно к стабилитрону, чтобы получить выходное напряжение стабилитрона:

Сопротивление = (Vin — Vz) / Iz

Итак, для 1N4733 скажем (12 В — 5,31 В) / 50 мА = 138 Ом.

Затем вы можете удалить Zz из используемого сопротивления, но часто вы не беспокоитесь, так как он обычно низкий и не сильно повлияет на вещи.

Что происходит, когда вы меняете ток

Дополнительный ток — увеличение входного напряжения, но с тем же внешним последовательным резистором = увеличение тока через стабилитрон = большее падение напряжения на его внутреннем сопротивлении = увеличение выходного напряжения. Это одна из причин, по которой они часто не являются отличной заменой линейному стабилизатору напряжения, потому что их выходное напряжение будет изменяться с входным напряжением. Другие причины заключаются в том, что вам нужно сбросить ток через них, чтобы получить их выходное напряжение, плюс изменения схемы в зависимости от нагрузки, если ее переменная.Тем не менее, если ваше входное напряжение фиксировано, а ток нагрузки фиксирован, стабилитрон может быть отличным выбором в схемах, поскольку вы можете затем выбрать свой резистор серии Vin в зависимости от тока нагрузки и тока стабилитрона, который вы хотите, и знать, что он не изменится. .

Пониженный ток — стабилитроны не работают при uA (Vz падает), им нужен небольшой ток для выполнения своей работы. Однако при более низких токах мА они обычно работают нормально.

Использование стабилитронов для фиксации, защиты входов и т. Д.

Стабилитроны могут быть хороши для этого, если вы не возражаете против необходимости добавить перед ними последовательный резистор — так хорошо для сигналов, не подходящих для входов питания.Вам просто нужно выбрать размер вашего последовательного резистора в зависимости от ожидаемого входного напряжения наихудшего случая (чтобы гарантировать, что номинальная мощность стабилитрона не будет достигнута) и для более низких напряжений, чтобы через него протекал ток, достаточный для правильного выполнения своей работы. Еще одно преимущество стабилитронов в этом приложении состоит в том, что, поскольку стабилитрон действует как обычный диод в другом направлении, он естественным образом ограничивает отрицательное напряжение на уровне -0,6 В.

ПОЛЕЗНЫЙ?

Мы получаем огромную выгоду от ресурсов в Интернете, поэтому мы решили, что должны попытаться вернуть часть наших знаний и ресурсов сообществу, открыв многие внутренние заметки и библиотеки нашей компании через такие мини-сайты.Мы надеемся, что вы найдете этот сайт полезным.

Пожалуйста, не стесняйтесь комментировать, если вы можете добавить справку к этой странице или указать проблемы и решения, которые вы нашли, но обратите внимание, что мы не предоставляем поддержку на этом сайте. Если вам нужна помощь в решении проблемы, воспользуйтесь одним из множества онлайн-форумов.

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

Введение Диоды

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

Принцип работы стабилитрона:

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

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

Рассмотрим изображения ниже нормального диода в действии .

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

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

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

Кривая ВАХ стабилитрона показана ниже.

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

Применение стабилитрона: Стабилитроны

используются в трех основных приложениях в электронных схемах;

1. Регулирование напряжения

2.Ограничитель формы волны

3. Переключатель напряжения

1. Стабилитрон как регулятор напряжения

Это, пожалуй, наиболее распространенное применение стабилитронов.

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

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

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

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

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

Номинал резистора, который будет использоваться, можно определить по приведенной ниже формуле.

R  1  = (V  в  - V  Z ) / I  Z 

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

Используя эту формулу, становится легко гарантировать, что номинал выбранного резистора не приведет к протеканию тока выше, чем может выдержать стабилитрон.

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

2. Стабилитрон как ограничитель формы сигнала

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

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

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

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

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

Для примера рассмотрим схему ниже.

Схема ограничителя предназначена для ограничения выходного сигнала на уровне 6,2 В, поэтому использовался стабилитрон на 6,2 В. Стабилитрон предотвращает выход выходного сигнала за пределы напряжения стабилитрона независимо от формы входного сигнала.В этом конкретном примере использовалось входное напряжение 20 В, а выходное напряжение при положительном размахе составляло 6,2 В, что соответствовало напряжению стабилитрона. Однако во время отрицательного колебания напряжения переменного тока стабилитрон ведет себя так же, как и обычный диод, и ограничивает выходное напряжение на уровне 0,7 В, как это происходит с обычными силиконовыми диодами.

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

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

3. Стабилитрон как переключатель напряжения

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

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

Рассмотрим эксперимент ниже,

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

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 — 3,3 = 3,7 В

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

Типы стабилитронов: Стабилитроны

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

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

Номинальное напряжение

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

Рассеиваемая мощность

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

Максимальный ток стабилитрона

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

Минимальный ток стабилитрона

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

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

Заключение:

Вот 5 моментов, которые нельзя забывать о стабилитроне.

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

3.11 Что такое стабилитроны?

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это специальный тип выпрямительного диода, который может выдерживать пробой из-за обратного напряжения пробоя без полного выхода из строя. Здесь мы обсудим концепцию использования диодов для регулирования падения напряжения и то, как стабилитрон работает в режиме обратного смещения для регулирования напряжения в цепи.

Как диоды регулируют падение напряжения

Если мы подключим диод и резистор последовательно к источнику постоянного напряжения так, чтобы диод был смещен в прямом направлении, падение напряжения на диоде останется довольно постоянным в широком диапазоне напряжений источника питания, как показано на рисунке (a) ниже.

Ток через смещенный в прямом направлении PN-переход пропорционален величине и , возведенной в степень прямого падения напряжения. Поскольку это экспоненциальная функция, ток растет довольно быстро при небольшом увеличении падения напряжения.

Другой способ рассмотреть это — сказать, что напряжение, падающее на диоде с прямым смещением, мало изменяется при больших изменениях тока диода. В схеме, показанной на рисунке (а) ниже, ток диода ограничен напряжением источника питания, последовательным резистором и падением напряжения на диоде, которое, как мы знаем, не сильно отличается от 0,7 вольт.

Кремниевый опорный элемент с прямым смещением: (а) одиночный диод, 0,7 В, (б) 10 последовательно соединенных диодов, 7,0 В.

Если бы напряжение источника питания было увеличено, падение напряжения резистора увеличилось бы почти на такую ​​же величину, а напряжение диода упало бы совсем немного.И наоборот, уменьшение напряжения источника питания привело бы к почти одинаковому снижению падения напряжения на резисторе с небольшим уменьшением падения напряжения на диодах.

Короче говоря, мы могли бы резюмировать это поведение, сказав, что диод регулирует падение напряжения примерно на 0,7 вольт.

Использование регулирования напряжения

Регулировка напряжения — это полезное свойство диодов. Предположим, мы строим какую-то схему, которая не может выдерживать колебаний напряжения источника питания, но должна питаться от химической батареи, напряжение которой изменяется в течение срока ее службы.Мы могли бы сформировать схему, как показано выше, и подключить схему, требующую постоянного напряжения на диоде, где он будет получать неизменное 0,7 В.

Это, безусловно, сработает, но для правильной работы большинства практичных схем любого типа требуется напряжение источника питания выше 0,7 В. Один из способов увеличить нашу точку стабилизации напряжения — это подключить несколько диодов последовательно, чтобы их отдельные прямые падения напряжения по 0,7 вольта добавлялись, чтобы получить большее общее.

Например, в нашем примере выше [рисунок (b)], если бы у нас было десять последовательно соединенных диодов, регулируемое напряжение было бы в десять раз 0,7 или 7 вольт.

До тех пор, пока напряжение батареи не опускается ниже 7 вольт, на десятидиодной «стопке» всегда будет падать около 7 вольт.

Как стабилитроны регулируют напряжение

Если требуются более высокие регулируемые напряжения, мы могли бы либо использовать больше диодов, включенных последовательно (на мой взгляд, это неэлегантный вариант), либо попробовать принципиально другой подход.

Мы знаем, что прямое напряжение на диоде является довольно постоянной величиной в широком диапазоне условий, как и напряжение обратного пробоя . Напряжение пробоя обычно намного больше прямого напряжения.

Если бы мы поменяли полярность диода в нашей схеме однодиодного стабилизатора и увеличили напряжение источника питания до точки, где диод «сломался» (то есть, он больше не мог выдерживать напряжение обратного смещения, подаваемое на него) диод аналогичным образом регулирует напряжение в этой точке пробоя, не позволяя ему расти дальше.Это показано на рисунке (а) ниже.

(a) Кремниевый малосигнальный диод с обратным смещением выходит из строя при напряжении около 100 В. (b) Символ стабилитрона.

К сожалению, когда обычные выпрямительные диоды «выходят из строя», они обычно разрушаются. Однако можно создать диод особого типа, который выдержит пробой без полного выхода из строя. Этот тип диода называется стабилитроном , и его символ показан на рисунке (b) выше.

При прямом смещении стабилитроны ведут себя так же, как стандартные выпрямительные диоды: у них прямое падение напряжения, которое соответствует «уравнению диода» и составляет около 0.7 вольт. В режиме обратного смещения они не проводят до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет или не превысит так называемое напряжение Зенера , когда диод может проводить значительный ток, и при этом будет пытаться ограничить падение напряжения на это к той точке напряжения Зенера.

Пока мощность, рассеиваемая этим обратным током, не превышает тепловые пределы диода, диод не будет поврежден. По этой причине стабилитроны иногда называют «диодами пробоя».”

Схема стабилитрона

Стабилитроны

производятся с напряжением стабилитрона от нескольких вольт до сотен вольт. Это напряжение стабилитрона незначительно изменяется с температурой, и, как и значения обычных резисторов с углеродным составом, может иметь погрешность от 5 до 10 процентов по сравнению со спецификациями производителя. Однако этой стабильности и точности обычно достаточно для использования стабилитрона в качестве устройства регулятора напряжения в общей цепи питания, показанной на рисунке ниже.

Схема стабилитрона, напряжение стабилитрона = 12,6 В).

Работа стабилитрона

Обратите внимание на ориентацию стабилитрона в приведенной выше схеме: диод имеет обратное смещение , и это сделано намеренно. Если бы мы сориентировали диод «нормальным» образом, чтобы он был смещен в прямом направлении, он бы упал всего на 0,7 В, как и обычный выпрямительный диод. Если мы хотим использовать свойства обратного пробоя этого диода, мы должны использовать его в режиме обратного смещения.Пока напряжение источника питания остается выше напряжения стабилитрона (в данном примере 12,6 вольт), падение напряжения на стабилитроне будет оставаться на уровне примерно 12,6 вольт.

Как и любой полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температуре. Чрезмерная температура разрушит стабилитрон, и, поскольку он снижает напряжение и проводит ток, он выделяет собственное тепло в соответствии с законом Джоуля (P = IE). Следовательно, нужно быть осторожным при проектировании схемы регулятора таким образом, чтобы не превышалась допустимая мощность рассеиваемой мощности диода.Интересно, что когда стабилитроны выходят из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности, они обычно выходят из строя , закорачивая, , а не открываясь. Диод, вышедший из строя таким образом, легко обнаруживается: он падает почти до нуля при смещении в любую сторону, как кусок проволоки.

Математический анализ цепи стабилитрона

Давайте рассмотрим схему стабилизации стабилитрона математически, определив все напряжения, токи и рассеиваемую мощность. Взяв ту же форму схемы, показанную ранее, мы выполним вычисления, предполагая, что напряжение Зенера равно 12.6 вольт, напряжение источника питания 45 вольт и номинальное сопротивление последовательного резистора 1000 Ом (мы будем считать, что напряжение стабилитрона составляет , ровно 12,6 вольт, чтобы избежать необходимости квалифицировать все цифры как «приблизительные» на рисунке ( а) ниже

Если напряжение стабилитрона составляет 12,6 вольт, а напряжение источника питания составляет 45 вольт, на резисторе будет падать 32,4 вольт (45 — 12,6 вольт = 32,4 вольт). Падение 32,4 В на 1000 Ом дает 32,4 мА тока в цепи. (Рисунок ниже (b))

(a) Зенеровский стабилизатор напряжения с резистором 1000 Ом.(б) Расчет падений напряжения и тока.

Мощность рассчитывается путем умножения тока на напряжение (P = IE), поэтому мы можем довольно легко рассчитать рассеиваемую мощность как для резистора, так и для стабилитрона:

Подойдет стабилитрон с номинальной мощностью 0,5 Вт, а также резистор с мощностью рассеяния 1,5 или 2 Вт.

Схема стабилитрона с более высоким сопротивлением

Если чрезмерное рассеивание мощности вредно, то почему бы не спроектировать схему с наименьшим возможным рассеиванием? Почему бы просто не рассчитать резистор на очень высокое значение сопротивления, тем самым резко ограничив ток и сохранив очень низкие показатели рассеиваемой мощности? Возьмем, например, эту схему с резистором 100 кОм вместо резистора 1 кОм.Обратите внимание, что как напряжение источника питания, так и напряжение стабилитрона диода на рисунке ниже идентичны последнему примеру:

Стабилизатор стабилитрона с резистором 100 кОм.

При токе, составляющем всего 1/100 от прежнего (324 мкА вместо 32,4 мА), оба значения рассеиваемой мощности должны быть в 100 раз меньше:

Рекомендации по сопротивлению нагрузки

Кажется идеальным, не правда ли? Меньшая рассеиваемая мощность означает более низкие рабочие температуры как диода, так и резистора, а также меньшие потери энергии в системе, верно? Более высокое значение сопротивления действительно снижает уровень рассеиваемой мощности в цепи, но, к сожалению, создает другую проблему.Помните, что цель схемы регулятора — обеспечить стабильное напряжение для другой схемы . Другими словами, мы в конечном итоге собираемся запитать что-то с напряжением 12,6 вольт, и это что-то будет иметь собственное потребление тока.

Меньшее значение сопротивления падающему резистору

Рассмотрим нашу первую схему стабилизатора, на этот раз с нагрузкой 500 Ом, подключенной параллельно стабилитрону, как показано на рисунке ниже.

Стабилизатор стабилитрона с последовательным резистором 1000 Ом и нагрузкой 500 Ом.

Если на нагрузке 500 Ом поддерживается 12,6 В, нагрузка потребляет ток 25,2 мА. Для того, чтобы «падающий» резистор 1 кОм упал на 32,4 вольта (уменьшив напряжение источника питания с 45 вольт до 12,6 на стабилитроне), он все равно должен проводить ток 32,4 мА. Это оставляет 7,2 мА тока через стабилитрон.

Замечание о резисторе, понижающем более высокое значение

Теперь рассмотрим нашу схему «энергосберегающего» регулятора с понижающим резистором 100 кОм, обеспечивающую питание той же нагрузки 500 Ом.Что он должен делать, так это поддерживать 12,6 вольт на нагрузке, как и в последней цепи. Однако, как мы увидим, не может выполнить эту задачу. (Рисунок ниже)

Нерегуляторный стабилитрон с последовательным резистором 100 кОм при нагрузке 500 Ом.>

При большем значении понижающего резистора на месте будет только около 224 мВ напряжения на нагрузке 500 Ом, что намного меньше ожидаемого значения 12,6 вольт! Почему это? Если бы у нас действительно было 12,6 вольт на нагрузке, она бы потребляла 25.2 мА тока, как и раньше. Этот ток нагрузки должен был бы пройти через последовательный понижающий резистор, как это было раньше, но с новым (намного большим!) Понижающим резистором на месте падение напряжения на этом резисторе при токе 25,2 мА, проходящем через него, составит 2520 вольт! Поскольку очевидно, что у нас не так много напряжения, обеспечиваемого батареей, этого не может произойти.

Анализ более высокого сопротивления падению без стабилитрона

Ситуацию легче понять, если мы временно удалим стабилитрон из схемы и проанализируем поведение только двух резисторов на рисунке ниже.

Нерегулятор со снятым стабилитроном.

И понижающий резистор 100 кОм, и сопротивление нагрузки 500 Ом включены последовательно друг с другом, что дает общее сопротивление цепи 100,5 кОм. При общем напряжении 45 В и общем сопротивлении 100,5 кОм закон Ома (I = E / R) говорит нам, что ток будет 447,76 мкА. Рассчитав падение напряжения на обоих резисторах (E = IR), мы получаем 44,776 В и 224 мВ соответственно.

Если бы мы переустановили стабилитрон в этот момент, он также «увидел бы» 224 мВ на нем, параллельно сопротивлению нагрузки.Это намного ниже напряжения пробоя стабилитрона диода, поэтому он не «пробивается» и не проводит ток. Если уж на то пошло, при таком низком напряжении диод не будет проводить, даже если он будет смещен в прямом направлении! Таким образом, диод перестает регулировать напряжение. Чтобы «активировать» его, необходимо упасть минимум 12,6 вольт.

Аналитическая методика удаления стабилитрона из цепи и проверки наличия достаточного напряжения, чтобы заставить его проводить, является правильной. Тот факт, что стабилитрон включен в цепь, не гарантирует, что на нем всегда будет падать полное напряжение стабилитрона! Помните, что стабилитроны работают за счет ограничения напряжения до некоторого максимального уровня; они не могут заменить из-за отсутствия напряжения.

Правило в работе стабилитрона

Таким образом, любая схема стабилизации на стабилитронах будет работать, пока сопротивление нагрузки равно некоторому минимальному значению или превышает его. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, он будет потреблять слишком большой ток, слишком большое падение напряжения на последовательном понижающем резисторе, оставляя недостаточное напряжение на стабилитроне, чтобы заставить его проводить. Когда стабилитрон перестает проводить ток, он больше не может регулировать напряжение, и напряжение нагрузки упадет ниже точки регулирования.

Расчет сопротивления нагрузки для некоторых резисторов падения

Однако наша схема регулятора с понижающим резистором 100 кОм должна быть подходящей для некоторого значения сопротивления нагрузки. Чтобы найти это приемлемое значение сопротивления нагрузки, мы можем использовать таблицу для расчета сопротивления в последовательной цепи с двумя резисторами (без диода), вставив известные значения общего напряжения и сопротивления падающего резистора и рассчитав ожидаемое напряжение нагрузки 12,6 В. :

С общим напряжением 45 В и 12.6 вольт на нагрузке, у нас должно быть 32,4 вольт на R , падение :

При 32,4 В на падающем резисторе и сопротивлении 100 кОм ток через него будет 324 мкА:

Поскольку цепь является последовательной, ток во всех компонентах в любой момент времени одинаков:

Расчет сопротивления нагрузки теперь является простым делом закона Ома (R = E / I), что дает нам 38,889 кОм:

Таким образом, если сопротивление нагрузки равно 38.889 кОм, на нем будет 12,6 вольт, диод или без диода. Любое сопротивление нагрузки менее 38,889 кОм приведет к напряжению нагрузки менее 12,6 В, диод или отсутствие диода. При установленном диоде напряжение нагрузки будет регулироваться максимум до 12,6 В для любого сопротивления нагрузки больше , чем 38,889 кОм.

При исходном значении падающего резистора 1 кОм наша схема регулятора смогла адекватно регулировать напряжение даже при сопротивлении нагрузки всего 500 Ом.Мы видим компромисс между рассеиваемой мощностью и допустимым сопротивлением нагрузки. Понижающий резистор большего номинала дал нам меньше рассеиваемой мощности за счет повышения допустимого минимального значения сопротивления нагрузки. Если мы хотим регулировать напряжение для низких сопротивлений нагрузки, схема должна быть подготовлена ​​к более высокому рассеиванию мощности.

Как стабилитрон регулирует напряжение

Стабилитроны

регулируют напряжение, действуя как дополнительные нагрузки, потребляя больше или меньше тока, если это необходимо для обеспечения постоянного падения напряжения на нагрузке.Это аналогично регулированию скорости автомобиля путем торможения, а не путем изменения положения дроссельной заслонки: это не только расточительно, но и тормоза должны быть сконструированы так, чтобы справляться со всей мощностью двигателя, когда условия движения этого не требуют.

Несмотря на эту фундаментальную неэффективность конструкции, схемы стабилизаторов на стабилитронах получили широкое распространение благодаря своей простоте. В приложениях с большой мощностью, где неэффективность недопустима, применяются другие методы регулирования напряжения.Но даже в этом случае небольшие схемы на основе стабилитронов часто используются для обеспечения «эталонного» напряжения для управления более эффективной схемой усилителя, управляющей основной мощностью.

Напряжение общего стабилитрона

Стабилитроны

производятся со стандартными номинальными напряжениями, указанными в таблице ниже. В таблице «Общие напряжения стабилитронов» указаны стандартные напряжения для компонентов мощностью 0,3 и 1,3 Вт. Мощность соответствует размеру кристалла и корпуса и представляет собой мощность, которую диод может рассеять без повреждений.

Напряжение на обычных стабилитронах

0.5Вт
2,7 В 3,0 В 3,3 В 3,6 В 3,9 В 4,3 В 4,7 В
5,1 В 5,6 В 6,2 В 6,8 В 7,5 В 8,2 В 9,1 В
10 В 11В 12 В 13V 15 В 16V 18V
20 В 24 В 27V 30 В
1.3Вт
4,7 В 5,1 В 5,6 В 6,2 В 6,8 В 7,5 В 8,2 В
9,1 В 10 В 11В 12 В 13V 15 В 16V
18V 20 В 22V 24 В 27V 30 В 33V
36V 39V 43V 47V 51V 56V 62V
68V 75V 100 В 200 В

Ограничитель стабилитрона: Схема ограничения, которая ограничивает пики формы волны приблизительно при напряжении стабилитрона диодов.В схеме на рисунке ниже два стабилитрона соединены последовательно друг с другом, чтобы симметрично ограничить форму волны почти при напряжении стабилитрона. Резистор ограничивает ток, потребляемый стабилитронами, до безопасного значения.

* SPICE 03445.eps D1 4 0 диод D2 4 2 диода R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN (0 20 1k). Модель диода d bv = 10 .tran 0.001m 2m .end 

Ограничитель стабилитрона:

Напряжение пробоя стабилитрона для диодов устанавливается равным 10 В параметром модели диода «bv = 10» в списке spice net на рисунке выше.Это приводит к срезанию стабилитронов при напряжении около 10 В. Вставные диоды срезают оба пика. Для положительного полупериода верхний стабилитрон смещен в обратном направлении, выходя из строя при напряжении стабилитрона 10 В. Нижний стабилитрон падает примерно на 0,7 В, поскольку он смещен в прямом направлении. Таким образом, более точный уровень отсечения составляет 10 + 0,7 = 10,7 В. Аналогичное отрицательное ограничение полупериода происходит при -10,7 В. (рисунок ниже) показывает уровень ограничения чуть более ± 10 В.

Ограничитель стабилитрона: вход v (1) ограничен по форме волны v (2).

ОБЗОР:

Стабилитроны
  • разработаны для работы в режиме обратного смещения, обеспечивая относительно низкий стабильный пробой, или напряжение Зенера , при котором они начинают проводить значительный обратный ток.
  • Стабилитрон может работать как регулятор напряжения, действуя как дополнительная нагрузка, потребляя больше тока от источника, если напряжение слишком высокое, и меньше, если оно слишком низкое.

Вернуться к основному указателю книги

Объявление

Стабилитроны, рабочие, эталонные и приложения

Стабилитроны — это один из типов диодов, которые часто используются в любой электронной лаборатории.Это связано с тем, что стабилитроны почти всегда используются в цепях питания и схемах формирования сигналов. Стабилитроны похожи на обычные диоды с PN-переходом, хотя они сильно легированы. Это заставляет диод вести себя иначе, чем сигнальный диод, когда он работает в области обратного смещения.

И сигнальный диод, и стабилитрон работают одинаково в области прямого смещения. При обратном смещении сигнальный диод блокирует любой ток от катода к аноду. Только незначительное количество обратного тока, включая обратный ток насыщения и ток тела, протекает через диод в диапазоне нА или мкА.Этот ток настолько мал по сравнению с током любой цепи, что не может управлять нагрузкой. Ток в цепи обычно находится в диапазоне мА. Когда обратное напряжение увеличивается сверх определенного напряжения, называемого напряжением Колена, ток через диод от катода к аноду возрастает экспоненциально, вскоре достигая уровня тока в цепи. В этот момент поврежден сигнальный диод или диод питания. Сигнальные диоды часто выходят из строя, в то время как силовые диоды выходят из строя при коротком замыкании. Следовательно, сигнальный диод и силовой диод всегда позволяют току течь только в одном направлении, т.е.е., от анода к катоду. Любое чрезмерное напряжение, приложенное для протекания тока от катода к аноду, приводит к выходу из строя диода.

Стабилитрон другой. Он позволяет току течь в обоих направлениях. Однако обратный ток (от катода к аноду) может течь только тогда, когда обратное напряжение выше точно номинального напряжения, то есть напряжения Зенера. Когда стабилитрон проводит ток цепи в состоянии обратного смещения, он снижает напряжение на стабилитроне и позволяет результирующему току цепи течь через него.

Что такое стабилитрон?
Стабилитрон — это сильно легированный полупроводниковый диод, предназначенный для работы в обратном направлении (от катода к аноду). Эти диоды предназначены для обратного пробоя при резком, четко определенном «обратном напряжении», так что они могут работать в области обратного смещения без пробоя. Конкретное напряжение, при котором стабилитрон имеет обратный пробой, называется «напряжением стабилитрона». Стабилитроны доступны с широким диапазоном напряжений стабилитрона, обычно от 1.От 8 до 200 В. Стабилитрон проводит ток в обратном направлении, только когда приложенное напряжение выше, чем его напряжение стабилитрона.

Электрический символ стабилитрона отличается от обычного диода. Обычный диод (сигнальный или силовой) показан в схеме с помощью следующего символа.

Следующий символ показывает стабилитрон.

Обратите внимание на загнутые края полосы в символе стабилитрона. На принципиальной схеме важно отличать стабилитрон от обычного диода.Обычные диоды не проводят ток в ответ на любое обратное напряжение и действуют как разомкнутые цепи. Стабилитрон проводит от катода к аноду, если обратное напряжение больше, чем его напряжение Зенера. Этот факт всегда нужно учитывать при анализе данной схемы.

Как работает стабилитрон
Стабилитрон — это сильно легированный полупроводниковый диод. Обычный полупроводниковый диод в режиме обратного насыщения страдает от лавинного пробоя, когда приложенное напряжение превышает напряжение Колена.Лавинный пробой в обычных диодах приводит к их поломке, вызывая их разрыв цепи (часто в случае сигнальных диодов) или короткое замыкание (часто в случае силовых диодов).

Стабилитроны

при обратном насыщении демонстрируют два вида пробоя — лавинный пробой и пробой стабилитрона. Стабилитрон не выходит из строя ни при пробое стабилитрона, ни при лавинном пробое.

Когда на обычный полупроводниковый диод подается обратное напряжение, его обедненная область расширяется из-за воздействия приложенных электрических полей.Ширина обедненной области продолжает увеличиваться по мере увеличения приложенного обратного напряжения. Все это время небольшой обратный ток насыщения течет от катода к аноду из-за неосновных носителей заряда. При определенном обратном напряжении, напряжении «Колено», неосновные носители заряда обладают достаточной кинетической энергией из-за электрического поля в области обеднения, чтобы они начали сталкиваться со стационарными ионами, выбивая больше свободных электронов. Вновь образованные свободные электроны также приобретают аналогичную кинетическую энергию из-за электрического поля в обедненной области.Они также сталкиваются с неподвижными ионами, выбивая еще большее количество свободных электронов. Это работает как цепная реакция, при которой через область обеднения накапливается большой ток, в результате чего диод становится проводящим. Это называется «лавина».

У стабилитрона другой вид пробоя при обратном смещении. Это называется пробоем стабилитрона, который происходит еще до пробоя лавины. Стабилитрон сильно легирован. В нем больше примесных атомов, чем в обычном диоде, поэтому в обедненной области больше ионов.Из-за большего количества ионов обедненная область стабилитрона очень тонкая. В обедненной области имеется более сильное электрическое поле из-за ее малой ширины. Из-за сильного электрического поля в обедненной области валентные электроны ионов попадают в зону проводимости, и большой ток начинает течь от катода к аноду.

Обратите внимание, что лавинный пробой является результатом столкновения неосновных носителей заряда с ионами в обедненной области.В то же время пробой Зинера — это квантовое явление, которое происходит из-за того, что валентные электроны переместились из валентной зоны в зону проводимости под действием электрического поля через узкую обедненную область.

Пробой Зенера происходит до пробоя «Лавины». Лавинный пробой не происходит при определенном напряжении и во многом зависит от условий работы диода и схемы. Пробой стабилитрона происходит при резком напряжении стабилитрона, которое задается уровнем легирования диода.Когда стабилитрон выходит из строя, он становится проводящим от катода к аноду, и вероятность «лавинного» пробоя отсутствует.

Когда стабилитрон начинает проводить обратное смещение, падение напряжения на нем фиксируется на уровне стабилитрона ‘, на которое не влияют изменения напряжения от источника. Тем не менее, ток через стабилитрон может варьироваться в зависимости от тока цепи, потребляемого нагрузкой. Как только ток нагрузки установлен, ток через стабилитрон также стабилизируется.

Стабилитроны

используют оба явления — пробой стабилитрона и пробой лавины. Если напряжение стабилитрона достигает 6 В, он начинает проводить обратное смещение при напряжении стабилитрона из-за пробоя стабилитрона. Если номинальное напряжение стабилитрона больше 6 В, стабилитрон проводит лавинный пробой при номинальном напряжении. Стабилитроны проводят более высокий ток, когда они являются проводящими из-за лавинного пробоя, чем когда они проводят из-за пробоя стабилитрона.

Когда стабилитрон смещен в прямом направлении, он работает как обычный диод.Из-за высокого уровня допирования максимальный прямой ток стабилитрона всегда больше, чем у обычных диодов.

Упаковка стабилитронов
Стабилитроны бывают как в сквозных, так и в SMD корпусах. Модели со сквозным отверстием обычно закрыты стеклом, чтобы обеспечить рассеивание большой мощности. Оба типа пакетов имеют полосу на одном конце для обозначения катода.

Подключение стабилитрона в цепи
В цепи / сети стабилитрон может быть подключен либо к нагрузке последовательно с диодом, либо к нагрузке, подключенной параллельно диоду.Стабилитрон всегда подключен для работы в обратном направлении.

Когда стабилитрон подключен последовательно к нагрузке, подаваемое напряжение падает на стабилитрон диода, а оставшееся напряжение появляется на анодном конце стабилитрона. Обычно к стабилитрону последовательно подключают резистор. Этот резистор и оставшееся сопротивление цепи нагрузки определяют ток через стабилитрон. Такой же ток протекает через нагрузку и через стабилитрон.

Когда стабилитрон подключен к нагрузке параллельно, то же напряжение применяется к сети нагрузки до тех пор, пока приложенное напряжение не станет меньше напряжения стабилитрона. Когда приложенное напряжение превышает напряжение стабилитрона, в цепи нагрузки появляется только падение напряжения стабилитрона на диоде. Таким образом, напряжение в сети нагрузки никогда не превышает напряжения стабилитрона. Теперь ток в сети нагрузки зависит от напряжения стабилитрона и сопротивления нагрузки. Если резистор или другая сеть уже подключены последовательно к стабилитрону (и сети нагрузки) перед источником напряжения, ток уже ограничен этим резистором или сетью.

Ссылка на стабилитрон
Доступны сотни моделей стабилитронов. В следующей таблице перечислены некоторые из популярных стабилитронов.

Применение стабилитрона
Обратите внимание, что этот список не является исчерпывающим. Этот список — всего лишь попытка перечислить популярные стабилитроны с напряжением стабилитрона до 6 В. Эта таблица может служить отправной точкой для изучения стабилитронов.

Стабилитрон имеет следующие общие области применения:

  1. Опорное напряжение: Когда на цепь нагрузки необходимо подавать фиксированное напряжение, ее можно подключить параллельно стабилитрону с таким же напряжением стабилитрона.Таким образом, напряжение на нагрузочном устройстве / сети будет таким же, как напряжение стабилитрона, но никогда не будет выше этого. Источник напряжения на стабилитроне должен быть больше, чем напряжение на стабилитроне; в противном случае стабилитрон не будет проводить в обратном направлении, и на нагрузке появится приложенное напряжение, меньшее, чем напряжение стабилитрона.

Обратите внимание, что это не идеальное регулирование напряжения. В приведенной выше схеме ток нагрузки ограничивается сопротивлением.Напряжение на нагрузке может варьироваться в зависимости от тока, потребляемого самой нагрузкой. Напряжение также может изменяться в зависимости от температуры.

  1. Многорельсовый источник питания — Многорельсовый источник питания может быть спроектирован с использованием нескольких стабилитронов. Стабилитроны можно подключать последовательно, чтобы обеспечить разные падения напряжения. Это то же самое, что использовать стабилитрон для опорного напряжения. Один стабилитрон используется в качестве простого источника опорного напряжения для обеспечения фиксированного падения напряжения в сети нагрузки. Несколько стабилитронов используются в многорельсовом питании для обеспечения симметричных и / или возрастающих падений напряжения.Помните, что ток через стабилитроны должен быть достаточным для управления нагрузкой сети. Для этого сами стабилитроны должны иметь соответствующую номинальную мощность, и не должно быть сети или сопротивления, ограничивающих ток через стабилитроны сверх требуемых уровней тока на нагрузке. Ниже представлена ​​симметричная шина питания с стабилитронами.

Ниже представлена ​​еще одна схема многорельсового питания с использованием стабилитронов.

  1. Фиксация напряжения: сигналы переменного тока могут быть ограничены с помощью стабилитрона.Если пиковая амплитуда сигнала переменного тока равна Vpeak high, стабилитрон с напряжением стабилитрона Vz может зафиксировать положительный пик на уровне Vz, подключив выход к катоду стабилитрона и подключив анод стабилитрона к земле. Уровень фиксированного сигнала можно увеличить выше Vz, подключив положительную шину с требуемым приращением к аноду стабилитрона, а не подключив ее к земле. Это также полностью удалит отрицательный цикл с вывода.

Даже два стабилитрона могут быть соединены последовательно в противоположных направлениях для получения симметричного ограничения входного сигнала переменного тока.

  1. Преобразование напряжения — стабилитрон можно использовать для сглаживания входного питания регулятора напряжения. Подключив стабилитрон последовательно с источником напряжения к регулятору напряжения, источник входного напряжения может упасть на Vz. По сравнению с резистором, понижающим напряжение, стабилитрон на своем месте может выдерживать все изменения тока нагрузкой на другом конце регулятора напряжения.

Как выбрать стабилитрон
Двумя наиболее важными факторами, определяющими выбор стабилитрона для конкретного применения, являются его «напряжение стабилитрона» и номинальная мощность.Стабилитрон должен выбираться по напряжению стабилитрона, которое должно падать при его последовательном соединении, или он должен обеспечивать параллельное соединение. Во-вторых, его номинальной мощности должно хватить, не ограничивая ток, потребляемый нагрузочным устройством или сетью.


В рубрике: Избранные, Технические статьи
С тегами: лавинный пробой, различные типы диодов, типы диодов, принцип работы стабилитрона, пробой стабилитрона, стабилитрон, применение стабилитронов, модели стабилитронов, многополюсное питание стабилитронов, Источник питания стабилитрона, ограничение напряжения стабилитрона, регулировка напряжения стабилитрона, преобразование напряжения стабилитрона, работа стабилитрона, эталон стабилитрона, напряжение стабилитрона

Что такое стабилитрон? — Определение, работа, характеристическая кривая и приложения

Определение: Сильнолегированный полупроводниковый диод, который предназначен для работы в обратном направлении, известен как стабилитрон.Другими словами, диод, специально разработанный для оптимизации области пробоя, известен как стабилитрон.

Условное изображение стабилитрона показано на рисунке ниже.

Принципиальная схема стабилитрона

Принципиальная схема стабилитрона показана на рисунке ниже. Стабилитрон используется в режиме обратного смещения. Обратное смещение означает, что материал диода n-типа подключается к положительной клемме источника питания, а материал P-типа подключается к отрицательной клемме источника питания.Область обеднения диода очень тонкая, потому что он сделан из сильно легированного полупроводникового материала.

Работа стабилитрона

Стабилитрон изготовлен из сильно легированного полупроводникового материала. Сильно легированный означает, что в материал добавляются высокоуровневые примеси, чтобы сделать его более проводящим. Область обеднения стабилитрона очень тонкая из-за примесей. Сильно легирующий материал увеличивает напряженность электрического поля в обедненной области стабилитрона даже при небольшом обратном напряжении.

Когда к стабилитрону не применяется смещение, электроны остаются в валентной зоне материала p-типа, и ток через диод не протекает. Зона, в которой находятся валентные электроны (электрон на самой внешней орбите), известна как электрон валентной зоны. Электроны валентной зоны легко переходят из одной зоны в другую, когда к ней приложена внешняя энергия.

Когда на диод подается обратное смещение и напряжение питания равно напряжению стабилитрона, он начинает проводить в обратном направлении смещения.Напряжение Зенера — это напряжение, при котором область обеднения полностью исчезает.

Обратное смещение, приложенное к диоду, увеличивает напряженность электрического поля в обедненной области. Таким образом, он позволяет электронам перемещаться из валентной зоны материала P-типа в зону проводимости материала N-типа. Этот перенос электронов валентной зоны в зону проводимости уменьшает барьер между материалом p- и n-типа. Когда обедненная область полностью исчезает, диод начинает проводить обратное смещение.

Характеристика стабилитрона

График ВАХ стабилитрона показан на рисунке ниже. Эта кривая показывает, что стабилитрон при прямом смещении ведет себя как обычный диод. Но когда на него подается обратное напряжение и обратное напряжение превышает заданное значение, в диоде происходит пробой стабилитрона.

При напряжении пробоя стабилитрона ток начинает течь в обратном направлении.График пробоя стабилитрона не совсем вертикальный, показанный выше, что показывает, что стабилитрон имеет сопротивление. Напряжение на стабилитроне представлено уравнением, показанным ниже.

В = В Z + I Z R Z

Применение стабилитрона

Стабилитрон в основном используется в коммерческих и промышленных приложениях. Ниже приведены основные области применения стабилитрона.

Как стабилизатор напряжения — Стабилитрон используется для регулирования напряжения.Он обеспечивает постоянное напряжение от источника переменного напряжения до нагрузки. Стабилитрон включен параллельно нагрузке и поддерживает постоянное напряжение V Z и, следовательно, стабилизирует напряжение.

Для защиты счетчика — Стабилитрон обычно используется в мультиметрах для управления перемещением счетчика от случайных перегрузок. Он подключен параллельно диоду. Когда происходит перегрузка диода, большая часть тока проходит через диод.Таким образом защищает счетчик от повреждений.

For Wave Shaping — Стабилитрон используется для преобразования синусоидальной волны в прямоугольную. Это можно сделать, разместив два стабилитрона последовательно с сопротивлением. Диод подключается спина к спине и в обратном направлении.

Когда напряжение, приложенное к клемме, меньше напряжения стабилитрона, диоды обеспечивают ток с высоким сопротивлением, и входное напряжение, приложенное к диоду, появляется на выходной клемме.Когда напряжение превышает напряжение стабилитрона, они обеспечивают путь с низким сопротивлением и большой ток, протекающий через диод. Из-за чего происходит сильное падение напряжения на сопротивлении и отсечка входной волны на пике. Таким образом, прямоугольная волна появляется на выходном выводе

.

В чем разница между стабилитронами / TVS-диодами и варисторами? Четыре аспекта сравнения, которые следует учитывать при использовании | Обзор продукта

Чип-варисторы и TVS-диоды обычно используются в качестве компонентов защиты от перенапряжения.
Их конструкция и методы изготовления совершенно разные, но они обладают схожими характеристиками в отношении защиты от статического электричества.
Поэтому они, как правило, могут использоваться в схеме взаимозаменяемо, но есть случаи, когда варисторы микросхемы считаются не подходящими.
По историческим причинам многие элементы спецификаций, приведенные в каталогах и технических паспортах, различаются, что затрудняет сравнение характеристик, основанных исключительно на этих данных, в отличие от конденсаторов и других компонентов общего назначения.
Цель этой статьи — разъяснить разницу между варисторами и диодами и представить данные, которые можно использовать для их сравнения.

Содержание

История

Варисторы из оксида цинка, разработанные в 1968 году, были приняты для защиты диодов от молнии. С другой стороны, диоды использовались в основном для выпрямления, поэтому область их применения была другой. Это причина того, что многие товары, перечисленные в каталогах и технических паспортах, различаются, что затрудняет прямое сравнение.Применимые стандарты Совета автомобильной электроники также существенно различаются. при этом AEC-Q101 используется для TVS-диодов, а AEC-Q200 — для варисторов.

Рисунок 1 История

Отличия чип-варисторов от TVS-диодов

Структура

Чип-варисторы — это керамические полупроводниковые изделия, в основе которых лежит оксид цинка. Как показано на рисунке ниже, варисторы для микросхем имеют многослойную структуру, при этом напряжение пробоя и емкость регулируются количеством слоев и конструкцией межслоев.С другой стороны, TVS-диоды представляют собой комбинацию полупроводников P-типа и N-типа. Это кремниевые компоненты защиты от электростатического разряда. В некоторых диодах также используются провода Au и т. Д.

Рисунок 2 Чип варистор Рисунок 3 TVS-диод
ВАХ

Значение сопротивления как варисторов микросхемы, так и TVS-диодов сильно меняется в зависимости от приложенного напряжения. Чип-варисторы обеспечивают двустороннюю электростатическую защиту.Раньше TVS-диоды были почти исключительно однонаправленными, но теперь растет и количество двунаправленных TVS-диодов. Однако важно отметить, что есть случаи, когда поведение различается в зависимости от направления.

Рисунок 4 ВАХ
Скорость реакции на перенапряжение

Основываясь на воспоминаниях о дисковых варисторах и подобных им в первые дни существования варисторов, часто можно услышать, что отклик варистора медленный.Но, как показано на графике ниже, скорость реакции на перенапряжение для варисторов микросхемы и TVS-диодов одинакова. При подаче напряжения HBM + 8 кВ в соответствии с IEC 61000-4-2 пик достигается в течение 1 нс, и напряжение на защищаемом компоненте упало примерно до нуля через 400 нс.

Рисунок 5 Скорость реакции на перенапряжение
Емкость

Диапазон емкостей варисторов и TVS-диодов значительно различается.Поскольку варисторы микросхемы имеют многослойную структуру, емкость можно увеличить, увеличив количество внутренних электродных слоев. При сравнении размеров EIA 0805 и ниже разница в максимальной емкости близка к 100 раз, как показано ниже. В некоторых линиях, требующих параллельной конфигурации MLCC, может быть возможно использовать варистор на одной микросхеме.

Рисунок 6 Емкость
Прочие характеристики

Что касается различных других характеристик, таких как тепловые характеристики и вносимые потери, Между варисторами микросхемы и TVS-диодами есть небольшие различия, но сравнение с теми же характеристиками покажет схожее поведение.Поскольку в технических данных будет показана соответствующая кривая, возможно сравнение с TVS-диодами.

Рисунок 7 Другие характеристики

Ссылки по теме

Руководства по выбору

Четыре ключевых аспекта использования варисторов для микросхем и TVS-диодов в сетях контроллеров (CAN)

В сети контроллеров (CAN) для защиты трансивера CAN используются антистатические компоненты.Некоторые моменты, которые следует учитывать при выборе компонентов для использования на линиях CAN, описаны ниже.

Максимально допустимое напряжение цепи

В CAN с топологией последовательной шины сигналы CANH и CANL используются для определения состояния доминирующего и рецессивного уровня. Когда он доминирует, линия CANH находится под напряжением около 3,5 В. Компонент электростатической защиты должен работать как изолятор при этом напряжении. Следовательно, компонент с максимально допустимым напряжением цепи 3.В этом случае необходимо выбрать 5 В или выше.

Поскольку ток утечки компонента электростатической защиты зависит от температуры, Следует также учитывать температуру окружающей среды в реальных условиях эксплуатации. На приведенном ниже графике показаны тепловые характеристики тока утечки в типичном варисторе микросхемы и TVS-диоде. Ток утечки увеличивается по направлению к более высоким температурам, но он не должен превышать 50 мкА.

Рисунок 8 Тепловые характеристики тока утечки
Емкость

Максимальная скорость передачи данных по CAN составляет 1 Мбит / с. Компоненты электростатической защиты, включенные параллельно цепи, не должны препятствовать обмену данными на этой скорости. Поэтому необходимо выбирать компоненты с низкими вносимыми потерями на скорости 1 Мбит / с (= 0,5 МГц). На приведенном ниже графике показаны вносимые потери для варистора микросхемы и двух TVS-диодов.Видно, что любой из них можно вставить, не мешая связи CAN.

Рисунок 9 Вносимые потери для варистора микросхемы и двух TVS-диодов
Возможность защиты от перенапряжения

Компоненты электростатической защиты служат для предотвращения повреждения интегральных схем и периферийных компонентов, используемых в комплекте. В качестве примера ниже приведены характеристики устойчивости к электростатическому разряду автомобильного CAN-трансивера.

Таблица 1 Устойчивость к электростатическим разрядам CAN Tranceiver для каждой IC
Tranceiver Vender Скорость передачи Vesd HBM
CANH, L
РАЗДЕЛЕНИЕ Другое
А Компания A 1 Мбит / с ± 12 кВ ± 12 кВ ± 12 кВ
B Компания B 1 Мбит / с ± 12 кВ ± 10 кВ ± 4кВ
С Компания C 1 Мбит / с ± 6 кВ ± 6 кВ ± 4кВ

Из таблицы видно, что трансивер CAN может выйти из строя, если приложить напряжение 4 кВ или выше.

Рисунок 10 Данные TLP

Если компонент электростатической защиты не используется, в случае электростатического разряда 4 кВ по CAN-трансиверу будет протекать ток 8 А, тем самым разрушая его. Как видно из рисунка ниже, значение сопротивления варистора или TVS-диода быстро падает до уровня ниже 2 Ом при приложении перенапряжения.

Рисунок 11 Данные TLP

Поскольку большая часть тока, генерируемого электростатическим разрядом, течет к компоненту электростатической защиты, трансивер CAN защищен.Используя данные TLP, можно выполнять моделирование на этапе проектирования, чтобы проверить ток, который будет достигать трансивера CAN. Это всего лишь простой пример, но зная характеристики других электронных компонентов, можно проверить устойчивость к электростатическому разряду перед фактическим испытанием.

Устойчивость к электростатическому разряду

Во многих случаях необходимо определить стойкость к электростатическому разряду в целом, и такие же характеристики требуются от компонентов электростатической защиты.Устойчивость продукта к электростатическому разряду можно проверить в техническом паспорте.

Ссылки по теме

Указание по применению

Характеристики варисторов для микросхем TDK — ESD-устойчивость к повторяющимся ESD-напряжениям

Устойчивость варистора к повторяющимся скачкам напряжения в значительной степени зависит от выбора материала конструкции, такие как тип и состав добавок к основному оксиду цинка (ZnO).Чип-варисторы от TDK извлекают выгоду из запатентованных материалов, разработанных с использованием технологий материалов компании. В результате варисторы обладают отличной устойчивостью к повторяющимся скачкам напряжения. TDK также предлагает продукты, которые могут заменить стабилитроны в приложениях, требующих частого включения / выключения, таких как электромагнитные клапаны и шаговые двигатели. Для получения дополнительной информации см. Статью «Варисторы на микросхеме, которые отлично сопротивляются повторным скачкам напряжения»

Ссылки по теме

Указание по применению

Характеристики микросхем варисторов TDK — Миниатюрные размеры

TDK реализовал миниатюрные варисторы с форм-фактором EIA 01005 (0.4 х 0,2 мм). Компания также массово производит самый маленький в отрасли размер, соответствующий стандарту AEC-Q200 EIA 0402 (1,0 x 0,5 мм), для автомобильной промышленности.

Рисунок 12 Характеристики микросхем варисторов TDK — Миниатюрные размеры

Ссылки по теме

Руководства по выбору

Публикация технических данных в Интернете

Различные данные, упомянутые выше, взяты из технических паспортов, которые TDK размещает в Интернете.Это предоставляет все данные, необходимые для простого сравнения с TVS-диодами.

Контактная информация

Ссылки по теме

Карта продукта

Портал продуктов

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *