Функции стабилитрона. Стабилитроны: принцип работы, характеристики и применение в электронике

Что такое стабилитрон и как он работает. Какие основные характеристики стабилитрона важны для разработчиков. Где применяются стабилитроны в электронных схемах. Как выбрать подходящий стабилитрон для конкретной задачи.

Что такое стабилитрон и его принцип работы

Стабилитрон — это специальный тип полупроводникового диода, предназначенный для поддержания постоянного напряжения в электрической цепи. Основное отличие стабилитрона от обычного диода заключается в его способности работать в режиме обратного пробоя без повреждения.

Как работает стабилитрон:

• При прямом включении стабилитрон ведет себя как обычный диод, пропуская ток при напряжении выше 0,6-0,7 В
• При обратном включении стабилитрон не проводит ток до достижения напряжения пробоя
• При достижении напряжения пробоя стабилитрон резко увеличивает проводимость, поддерживая на себе постоянное напряжение

Таким образом, стабилитрон позволяет ограничить напряжение в цепи на заданном уровне, соответствующем его напряжению стабилизации.

Основные характеристики стабилитронов

При выборе и применении стабилитронов важно учитывать следующие ключевые параметры:

• Напряжение стабилизации Uст — основной параметр, определяющий рабочее напряжение стабилитрона
• Минимальный ток стабилизации Iст.min — минимальный ток, при котором обеспечивается стабилизация
• Максимальный ток стабилизации Iст.max — предельно допустимый ток через стабилитрон
• Дифференциальное сопротивление rст — характеризует качество стабилизации напряжения
• Температурный коэффициент напряжения стабилизации αст — изменение напряжения при изменении температуры

Знание этих параметров позволяет правильно выбрать стабилитрон для конкретной схемы.

Применение стабилитронов в электронных схемах

Благодаря своим уникальным свойствам стабилитроны широко применяются в различных электронных устройствах:

1. Стабилизация напряжения

Основное применение стабилитронов — стабилизация напряжения питания. Простейший параметрический стабилизатор состоит из резистора и стабилитрона:

• Резистор ограничивает ток через стабилитрон
• Стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение

Такая схема позволяет получить стабильное напряжение при колебаниях входного напряжения или тока нагрузки.

2. Ограничение напряжения

Стабилитроны часто используются для защиты от перенапряжений:

• Параллельное включение стабилитрона ограничивает максимальное напряжение на защищаемом элементе
• При превышении напряжения стабилизации избыточный ток отводится через стабилитрон

Это позволяет защитить чувствительные компоненты от повреждения высоким напряжением.

3. Формирование опорного напряжения

Стабилитроны применяются для создания источников опорного напряжения:

• Стабильное напряжение стабилитрона используется как эталонное
• Опорное напряжение необходимо в АЦП, ЦАП, стабилизаторах и других схемах

Прецизионные стабилитроны обеспечивают высокую точность и стабильность опорного напряжения.

Как выбрать подходящий стабилитрон

При выборе стабилитрона для конкретной схемы следует учитывать несколько факторов:

1. Напряжение стабилизации — должно соответствовать требуемому рабочему напряжению
2. Мощность — определяется максимальным током через стабилитрон
3. Температурный коэффициент — важен для прецизионных схем
4. Дифференциальное сопротивление — влияет на качество стабилизации
5. Тип корпуса — зависит от конструкции устройства

Правильный выбор стабилитрона обеспечит надежную работу схемы в заданных условиях.

Преимущества и недостатки стабилитронов

Стабилитроны обладают рядом достоинств и ограничений:

Преимущества:

• Простота применения
• Низкая стоимость
• Высокая надежность
• Широкий диапазон напряжений стабилизации

Недостатки:

• Ограниченная мощность
• Зависимость от температуры
• Относительно высокое дифференциальное сопротивление

Понимание этих особенностей позволяет эффективно использовать стабилитроны в электронных схемах.

Заключение: роль стабилитронов в современной электронике

Несмотря на развитие интегральных стабилизаторов напряжения, стабилитроны по-прежнему широко применяются в электронике благодаря своей простоте, надежности и низкой стоимости. Они остаются незаменимыми во многих схемах:

• Простые источники питания
• Схемы защиты от перенапряжений
• Формирователи опорного напряжения
• Ограничители амплитуды сигналов

Знание принципов работы и особенностей применения стабилитронов — важный навык для разработчиков электронной аппаратуры.

Рассматриваем принцип работы стабилитрона вместе с Суперайс

---

Защита от перенапряжения необходима для того, чтобы избежать повреждений в результате электрических переходных процессов. Защита отключает источник питания или отключает только выход, когда напряжение превышает заданный уровень.

В приборах используется специальная электрическая схема, которая исключает повреждение электронных компонентов при возникновении перенапряжения. Схема защиты от перенапряжения (OVP, от англ. – overvoltage-protect) обнаруживает, а затем быстро снижает величину поступившего импульса.

В этой статье мы разберем принцип работы наиболее распространенной защиты OVP, основанный на эксплуатации стабилитрона.

Время чтения: 9 минут

В этой статье рассмотрим:

• Общие сведения
• Основы защиты входного сигнала стабилитрона
• Простейшая схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона
• Как выбирать стабилитрон для защиты цепи?
• Преимущества и недостатки схем на диодах Зенера

Общие сведения

Разные устройства работают при разных уровнях напряжения, при этом для цифровой техники самыми распространенными уровнями являются: 3,3 В, 5 В, а также 12 В. Однако каждая конструкция индивидуальна, поэтому в них часто есть более одного рабочего напряжения. Это естественное явление для большинства устройств. Например, стандартный компьютерный импульсный блок питания (БП) работает с пятью различными уровнями, а именно с +3,3В, +5В, +12В, а также -5В и -12В. Когда для питания компонентов используются различные уровни напряжения, то существует опасность выхода из строя низковольтных цепей. Чаще это вызывается подачей на них слишком высокого уровня потенциала. Поэтому, чтобы избежать этого,

проектировщик должен внедрять в проекты нескольких видов защитных схем.

Для любой детали или электросхемы существует три вида номинальных напряжения, а именно минимальное рабочее, рекомендуемое или нормативное рабочее, а также максимально допустимое рабочее. Для большинства цепей или элементов любое значение, превышающее максимальную рабочую величину, приводит к их выходу из строя. Использование OVP на базе стабилитрона, или как его еще называют диод Зенера, — распространенное и экономичное решение.

Основы защиты входного сигнала стабилитрона

Чтобы сделать электросхему, защищающую от перенапряжения, часто первым вариантом решения становятся диоды Зенера.

Эти элементы работают аналогично классическим диодам, которые блокируют протекание тока в обратном направлении.

Однако у них есть и недостаток — стабилитрон блокирует протекание тока в обратном направлении только для напряжения, определяемого номинальными параметрами элемента. Например, если компонент рассчитан на 5,1 В, то он блокирует протекание тока в противоположном направлении до 5,1В. И если потенциал превысит величину в 5,1 В, то это позволит току свободно протекать через него. Эта особенность диода Зенера делает его отличным компонентом для конструирования защиты от перенапряжения.

Простейшая схема защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона

Рассмотрим электросхему, где требуется защитить микроконтроллер. Все, что превышает максимально допустимое значение в 5 В, поступая на контакты ввода-вывода микроконтроллера, приведет к его повреждению.

Рисунок 1. Электросхема OVP защищает вход микроконтроллера

Элемент, используемый в приведенной схеме, это диод Зенера с характеристикой в 5,1 В. Элемент может пропускать ток и ограничивать напряжение до 5,1 В, в случае если оно превышает 5,1 В. На практике этот элемент будет вести себя как обычный диод и блокировать напряжение менее 5,1 В

Изображение ниже — модель защитной схемы на базе диода Зенера. Чтобы получить полные характеристики работы OVP, вы можете смоделировать схему защиты в симуляторе или воссоздать «в железе», скорректировав параметры в соответствии с вашими требованиями.

Рисунок 2. Симулируемая электросхема OVP

На приведенную схему подается питание от источника постоянного тока (Input DC Supply). Два компонента, R1 и VD1, защищают потребителя, ограничивая потенциал на выходе. Здесь в качестве диода Зенера используется компонент 1N4099 (VD1). Когда на входе достигается величина в 6,8 В, срабатывает защитная функция.

Здесь стабилитрон 1N4099 выступает источником опорного напряжения, не давая достичь высоких значений потенциала на выходе (Output DC Supply).

Давайте посмотрим, как приведенная нами электросхема работает, ограничивая потенциал на выходе не более чем 6,8 В. Используя симуляцию, смоделируем работу описанной нами схемы. При подаче на вход 6 В выходной сигнал остаётся неизменным, на том же уровне, порядка 6 В (рис. 3).

Рисунок 3. На вход подано 6 В

Если на входе достигается 6,8 В, то на выходе также будет значение близкое ему – 6,74 В (рис. 4). Несоответствие обусловлено незначительными потерями в элементах нашей электросхемы. Это несущественное отклонение.

Рисунок 4. На вход подано 6,8 В

Давайте еще больше увеличим входной потенциал и сымитируем режим перенапряжения.

Теперь потенциал на входе составляет 7,5 В, что существенно больше, чем 6,8 В.

OVP существенно ограничивает потенциал на выходе. В нашем примере он составляет 6,81 В (рис. 5).

Рисунок 5. На вход подано 7,5 В

Именно таким образом стабилитрон обеспечивает успешную защиту подключенных схем от перенапряжения. По окончании режима перенапряжения, когда входной потенциал вернется к нормальному уровню, менее 6,8 В, данная схема продолжит эффективно работать, до возникновения следующей нештатной ситуации.

Преимуществом диода Зенера является то, что он не перегревается и не выходит из строя при срабатывании OVP, в отличие от предохранителя.

Для обеспечения защиты цепей с другими номинальными значениями, в приведенной нами схеме можно заменить стабилитроны на другие, с более высокими пределами ограничения перенапряжения. Такими как, например, 3,3 В, 5,1 В, 9,1 В, 10,2 В.

Как выбирать стабилитрон для защиты цепи?

Выбор диода Зенера с необходимыми характеристиками — важный этап разработки OVP.  

Вот несколько пунктов, как выбрать электронный компонент.

Определите рабочее напряжение стабилитрона

Это та величина, которая будет ограничиваться схемой OVP, защищая потребителя от перенапряжения. В нашем примере, на симуляторе, это значение составляет 6,8 В. Если нет электронного компонента с подходящими для защищаемой цепи параметрами, то выбираем ближайшее значение. Например, для защиты от линий до 7 В подойдет диод Зенера с ближайшим параметром в 6,8 В.

Рассчитайте ток нагрузки, которая будет подключена через OVP

Для нашего примера, рассмотренного ранее, максимальный ток нагрузки составляет 50 мА. Помимо него, еще нужно учесть ток утечки стабилитрона. Поэтому, общая величина будет определяться суммой токов нагрузки и утечки. Для выбранного нами 1N4099 ток утечки составляет 10 мА (информация их даташита компонента). Тогда суммарный ток будет составлять: 50 мА + 10 мА = 60 мА.

Определите рассеиваемую мощность диода Зенера

Есть деление стабилитронов по рассеиваемой мощности. Знать этот параметр необходимо для того, чтобы быть уверенным в эффективном отводе тепла диодом Зенера в процессе работы.

Мощность определяется на основе максимально допустимого тока утечки , который составляет 10 мА, для нашего примера. Для ее определения величину токовой утечки перемножаем со значением стабилизированного напряжения – 6,8В. В таком случае максимальная рассеиваемая мощность составляет: 0,01 А * 6,8 В = 0,068 Вт или 68 мВт. Это значительно ниже максимально допустимых 500 мВт для 1N4099. Следовательно, элемент нам подходит.

Рассчитайте сопротивление ограничивающего резистора

Ограничивающий или балластный резистор применяется для отвода избыточной энергии при перенапряжении . Основными учитываемыми характеристиками являются сопротивление и мощность резистора. Они определяются исходя из того, какой максимальный потенциал может быть подан на цепи OVP. И в первую очередь на это влияют характеристики источника питания.

Допустим, что на защищаемый компонент максимально может быть подано 14 В. В таком случае падение напряжения через ограничивающий резистор составит: 14 В – 6,8 В = 7,2 В. Тогда, согласно закону Ома, сопротивление резистора должно составлять: 7,2 В / 0,060 А = 120 Ом.

Выбирается ближайшее стандартное значение резистора – 120 Ом.

Определите мощность балластного сопротивления

Неверный выбор рассеиваемой мощности резистора приведет к его быстрому выходу из строя. Поэтому учет этого параметра также важен, как определение величины сопротивления.

Величина мощности, которую нужно рассеять балласту, определяется произведением протекающего через него тока и действующего падения напряжения : 0,060 А * 7,2 В = 0,432 Вт. Выбирается ближайшая большая мощность из стандартного ряда, она составляет 0,5 Вт.

Преимущества и недостатки схем на диодах Зенера

Конечно, у такого рода схем также есть свои недостатки. В первую очередь это наличие рассеиваемой мощности на ограничивающем резисторе. Эти потери энергии снижают эффективность OVP.

Однако схемы собранные на основе диодов Зенера остаются самыми простыми, напряжение остается регулируемым, а стоимость таких конструкций намного ниже по сравнению с другими.

1.2. Стабилитроны

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

Полупроводниковый стабилитрон работает на участке электрического пробоя p-n-перехода. Для предотвращения теплового пробоя конструкция стабилитрона обеспечивает эффективный отвод тепла от p-n-перехода. Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний. Как видно из вольт-амперной характеристики в области пробоя, напряжение на стабилитроне U_ст. лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока I_ст. Такую характеристику стабилитрона применяют для получения стабильного напряжения.

Основные параметры полупроводникового стабилитрона:

• стабилизирующее напряжение U_ст.;

• динамическое сопротивление на участке стабилизации R_д.;

• минимальный ток стабилитрона I_{ст. min};

• максимальный ток стабилитрона I_{ст. max};

• температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации.

Стабилизирующее напряжение современных стабилитронов лежит в пределах 1 – 1000 В и зависит от толщины запирающего слоя p-n-перехода. Участок стабилизации на характеристике стабилитрона расположен в области от I_{ст. min} до I _{ст. max}; I _{ст. min} = 1 – 10 мА, I_{ст. max} = 50 – 2000 мА. Величина минимального тока I_{ст. min} ограничена нелинейным участком характеристики стабилитрона, величина максимального тока I_{ст. max} – допускаемой температурой полупроводника.

Величина R_д характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации. На участке стабилизации R_д = const; обычно R_д = 0,5 – 200 Ом.

Температурный коэффициент напряжения ТКU стабилитрона показывает, на сколько процентов изменится стабилизирующее напряжение при изменении температуры полупроводника на 1 С.

Стабилитроны допускают последовательное включение, параллельное соединение недопустимо. Стабилитроны применяют в автоматических потенциометрах, предназначенных для измерения напряжений и токов.

Для стабилизации низковольтных напряжений используется прямая ветвь ВАХ. Такие приборы, называемые стабилизаторами, имеют напряжение стабилизации в диапазоне 0.3 – 1 В.

Выпрямление электрических колебаний – это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное колебание только одного знака (рис. 1.5). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.

Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.

Для выпрямления применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) диоды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны, кремниевые и селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными свойствами в зависимости от применения, значений выпрямленных напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных электронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полупроводниковые диоды.

Название “выпрямитель” используется, прежде всего, для схем, преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем называется также и сам элемент с однонаправленными свойствами, используемые в процессе выпрямления.

Однополупериодным выпрямителем называется такой выпрямитель, на выходе которого после процесса выпрямления остаются колебания одного знака. Схема однополупериодного выпрямителя, возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рис. 1.6.

Диод, включенный таким образом, проводит ток только при положительных полупериодах входного колебания, т.е. когда напряжение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение колебания, полученного в результате выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением и максимальным значением , равно

.

Рисунок 1.6. Схема однополупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным напряжением от трансформатора (а) и внешнего источника (б)

Например, при выпрямлении напряжения с действующим значением , после выпрямления получаем напряжение .

В отрицательный полупериод диод не проводит ток, и все подведенное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обратное напряжение выпрямителя. При изменении направления включения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не проводить в положительные.

Рассматриваемая схема выпрямителя называется последовательной. Название связано с тем, что нагрузка включается последовательно с нелинейным элементом (вентилем).

Двухполупериодным выпрямителем называют такой выпрямитель, в котором после процесса выпрямления остаются участки входного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака добавляются участки, имеющие противоположный знак.

Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рис. 1.7.

В периоды времени, когда на аноде диода Д1 действует положительное напряжение, на аноде диода Д2 присутствует отрицательное и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке диод Д1 пропускает ток, а диод Д2 не пропускает. При отрицательной полуволне положительное напряжение действует на диоде Д2, который при этом проводит ток, а диод Д1, смещенный в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряжения, полученного на выходе двухполупериодного выпрямителя, в 2 раза больше напряжения, полученного на выходе однополупериодного выпрямителя.

Рисунок 1.7. Схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным напряжением от трансформатора

Технические параметры выпрямителя:

• Коэффициент пульсаций выпрямителя – это отношение максимального значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляющей на этом выходе. В большинстве применений желательно, чтобы коэффициент пульсаций был как можно меньше. Уменьшение пульсаций достигается путем применения соответствующих фильтров.

• Коэффициент использования трансформатора в выпрямительной схеме определяется как отношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.

• Коэффициент полезного действия — это параметр, характеризующий эффективность схемы выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное. КПД выпрямителя выражается отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного действия определяется для резистивной нагрузки.

• Частотная пульсация выпрямителя — это основная частота переменной составляющей, существующей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Фильтрация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсации.

Использование стабилитрона — Функции, применение и часто задаваемые вопросы

Нам известно об использовании стабилитрона, который позволяет текущему потоку двигаться вперед или в обратном направлении. Стабилитрон — это полупроводниковый прибор, состоящий из PN-перехода, который опережает ток в направлении переключения при достижении определенного напряжения.

Имеет обратное напряжение пробоя, что означает, что он может постоянно работать в режиме противоположной предрасположенности без вреда для себя. Зенеровский диод не только позволяет току течь от анода к катоду, но и в обратном направлении при достижении напряжения Зенера. Из-за этой полезности стабилитроны являются наиболее широко используемыми полупроводниковыми диодами.

В приборе используется диод с обратносмещенным сильнолегированным p-n переходом, работающий в области пробоя. В зоне пробоя никогда не используются обычные диоды и выпрямители, а вот стабилитрон можно смело использовать в обозначенной точке.

Он имеет обратное напряжение пробоя, что означает, что он может работать в условиях противоположной тенденции в течение неограниченного времени без разрушения.

Для получения напряжения Зенера стабилитрон пропускает ток не только от анода к катоду, но и в обратном направлении. Благодаря своей универсальности стабилитроны являются наиболее часто используемыми полупроводниковыми диодами.

Стабилитрон — функции и применение

• В режиме прямого смещения стабилитрон работает как обычный диод с напряжением включения от 0,3 до 0,7 В. на стабилитрон подается боковое напряжение, он работает по-разному.

• Ток начинает течь через диод, когда обратное напряжение достигает заданного значения пробоя (Vz). Теперь небольшое увеличение инвертирующего напряжения быстро увеличит электрический поток. Из-за этого резкого подъема электрического потока происходит пробой Зенера. Тем не менее, стабилитрон показывает управляемый пробой, который вредит устройству.

• В тот момент, когда на стабилитрон подается противоположное одностороннее напряжение, он допускает только небольшое количество тока утечки до тех пор, пока напряжение не будет точно напряжением Зенера. В тот момент, когда обратное одностороннее напряжение, приложенное к стабилитрону, достигает напряжения Зенера, он начинает пропускать огромное количество электрического тока.

Пробой Зенера

Эффект пробоя Зенера, возникающий при напряжении ниже 5,5 В, или ударная ионизация, возникающая при напряжении выше 5,5 В, вызывают пробой. Оба процесса могут получить одинаковое поведение. Они также не требуют дополнительных схем. Однако температурный коэффициент каждого механизма различен

Температурный коэффициент эффекта Зенера отрицательный, а температурный коэффициент ударного эффекта положительный.

При напряжении 5,5 В два температурных эффекта почти эквивалентны и компенсируют друг друга. Это делает стабилитроны на 5,5 В наиболее стабильными в самых разных температурных режимах.

Применение

Зенеровский диод является регулятором напряжения: в момент, когда напряжение кучи приближается к напряжению пробоя, резисторы, которые связаны в устройстве, ограничивают ток через диод, когда имеется избыточное напряжение, когда диод опережает .

При этом диод производит какое-то волнение, которое можно подавить, добавив огромные развязывающие конденсаторы на диод. Напряжение кучи возрастает до напряжения пробоя VZ диода. Резистор устройства ограничивает ток через диод и снижает избыточное напряжение, когда диод направлен.

Защита от перенапряжения

Ток через диод создает падение на резисторе по мере того, как напряжение поднимается до значения пробоя Зенера. Это приводит к кратковременному спуску на дно.

Когда информационное напряжение превышает напряжение пробоя Зенера, через диод протекает ток, вызывая падение напряжения на резисторе, активируя тринистор и вызывая короткое замыкание на землю. Размыкатель открывается коротким выходом, отделяющим кучу от инвентаря.

Переключение сигнала с одного напряжения на другое является наиболее распространенным применением стабилитронов. В областях пробоя он может поддерживать постоянное напряжение текучести. Стабилитрон является идеальным компонентом деятельности из-за его использования с изменением напряжения.

Зенеровский диод используется для отключения цепей

Подстроечные цепи используются для предотвращения выхода сигнала урожайности за установленный стимул без преобразования какого-либо информационного сигнала. Применение стабилитрона включает в себя регулировку и формирование контуров резки формы сигнала переменного тока. Схемы секций ограничивают одну часть формы волны переменного тока для формирования формы волны или обеспечения безопасности.

Схемы такого типа в основном используются в телевизионных и FM-передатчиках для устранения помех. Зенеровские диоды используются для изменения или формирования цепей резки формы волны переменного тока. Цепь отключения указывает точки отсечки или защелкивает части любого из полушаблонов формы волны переменного тока, чтобы сформировать форму волны или обеспечить страховку.

Стабилитрон — PAL3_Electronics — ~Confluence~Institute~Creative~Technologies

Перейти к концу метаданных исключение. Если напряжение в направлении обратного смещения превышает определенное значение, называемое напряжением пробоя, то стабилитрон пропускает ток. Стабилитроны часто используются для регулирования напряжения, когда нестабильный или изменяющийся во времени сигнал преобразуется в почти постоянное напряжение. Стабилитроны хорошо работают для этой цели при обратном смещении, поскольку они пропускают ток только тогда, когда напряжение выше напряжения пробоя.

Как и обычный диод с P-N переходом, стабилитрон имеет две клеммы, называемые анодом и катодом. Вот схематический символ:

      

Чтобы помочь запомнить, какая клемма какая, обратите внимание, что «A» анода выглядит как треугольник, а катод выглядит как вертикальная полоса (также называемая полосой «k» или полоса «т»). Этот символ отличается от обычного диода тем, что линия на конце стрелки слегка изогнута с каждой стороны.

Стабилитрон имеет три основных режима: прямое смещение, обратное смещение и пробой/лавинный режим при обратном смещении.

Прямое смещение: Когда напряжение на аноде выше порогового «напряжения колена» на катоде (~0,7 В для кремниевого диода), диод смещается в прямом направлении и проводит ток. Когда диод смещен в прямом направлении, ток течет в направлении треугольника: от анода к катоду. Хотя диоды можно считать короткозамкнутыми при прямом смещении и разомкнутыми при обратном смещении, это идеальный вариант. На самом деле, когда диод смещен в прямом направлении, он проводит столько тока, сколько требует внешняя схема, и регулирует свое внутреннее сопротивление так, чтобы падение напряжения на нем всегда составляло 0,7 вольта, напряжение колена.

Обратное смещение (до пробоя): Когда диод смещен в обратном направлении и ниже напряжения пробоя, он имеет очень высокое сопротивление, поэтому он почти не проводит ток.

Пробой/Лавина: После напряжения пробоя стабилитрон легко проводит ток. Когда напряжение на аноде более отрицательное, чем напряжение на катоде, и разница больше, чем напряжение пробоя, стабилитрон проводит столько тока, сколько требует внешняя схема, и регулирует свое внутреннее сопротивление так, чтобы падение напряжения на нем всегда напряжение пробоя. Этот режим работы уникален для стабилитронов и называется лавинным режимом или режимом пробоя. В отличие от обычного диода, стабилитроны предназначены для работы за пределами напряжения пробоя и не повреждаются до тех пор, пока не будут достигнуты гораздо более высокие напряжения. Стабилитроны рассчитаны на определенные значения напряжения пробоя, часто в диапазоне 5,6 В, но часто могут быть намного выше, когда стабилитроны используются как часть высоковольтного регулятора.

Основными параметрами диода являются пороговое напряжение (он же напряжение колена ) и напряжение пробоя . Напряжение колена для кремниевых диодов составляет около 0,7 вольта, что связано со свойствами кремния при легировании с образованием PN-переходов. Почти все диоды изготовлены из кремния, за исключением случаев, когда требуются определенные другие характеристики (например, германиевые диоды имеют более низкое пороговое напряжение около 0,3 вольта).

Напряжение пробоя стабилитрона — второй важный параметр. В отличие от обычных диодов, этот параметр точно контролируется и важен для практического функционирования диода.

Эти параметры можно понять, рассмотрев кривую отклика напряжение-ток, показанную ниже. При пробое ток внезапно течет после того, как его почти нет. Точно так же при напряжении колена ток начинает течь легко, с небольшим сопротивлением.

Стабилитроны сконструированы так же, как обычные диоды, но с некоторыми ключевыми отличиями. Как и обычный диод, стабилитрон изготовлен из материалов P и N с переходом между ними. Материал P соединен с анодом, а материал N соединен с катодом. Они образуют «область истощения», которая работает как односторонний клапан: ток довольно легко течет в одном направлении, но действует как барьер для тока при обратном смещении. Однако диоды Зенера могут проводить ток при обратном смещении, используя два механизма: эффект Зенера и лавинный пробой.

Прямое смещение: Когда положительное напряжение подключено к материалу P, а отрицательное напряжение подключено к материалу N, напряжения подталкивают основные носители материала (дырки для P; электроны для N) к соединению. Этот толчок сжимает область истощения до тех пор, пока она не исчезнет, ​​после чего может протекать ток. Когда толчок достаточно сильный, а именно больше, чем пороговое значение напряжения колена, диод смещается в прямом направлении и течет ток.

Обратное смещение (ниже разбивки):  Когда к диоду Зенера приложено отрицательное напряжение, приложенное к материалу P, и положительное напряжение, приложенное к материалу N, напряжения оттягивают основные носители от перехода. Если напряжения слабые, то большинство носителей не уйдут далеко, потому что они притягиваются друг к другу и хотят оставаться вблизи перехода. При этом область истощения расширяется вокруг соединения, но не разрывается.

Пробой (Лавина):  Когда напряжения достаточно велики, а именно выше напряжения пробоя, они преодолевают взаимное притяжение, которое притягивает их к соединению, и освобождаются. Лавинный пробой происходит, когда присутствует достаточное напряжение, чтобы свободные электроны имели достаточно энергии, чтобы их столкновения разрушали электронно-дырочные пары.