Стабилитрон это: Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется | Энергофиксик

Содержание

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется | Энергофиксик

Стабильное напряжение питания в электронике — это, пожалуй, самый главный параметр, который проверяется в обязательном порядке. К сожалению, напряжение в наших электросетях может изменяться от заданной величины довольно часто, а вот для того, чтобы электронные устройства служили долго, необходимо обеспечить стабильное напряжение питания, то есть исключить всевозможные скачки. Для этих целей как раз и применяются стабилитроны. В данном материале мы познакомимся с ними поближе.

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется

Что такое стабилитрон

Итак, для начала давайте разберемся, что же такое стабилитрон. Стабилитрон (диод Зенера) – это полупроводниковый диод, функционирующий при обратном смещении в режиме пробоя. Звучит непонятно и заумно. Если сказать по-простому, то стабилитрон это полупроводниковый прибор, который стабилизирует напряжение. Так звучит более понятно, давайте теперь разберем, как он это делает.

Как работает стабилитрон

Итак, для того, чтобы понять принцип работы давайте представим следующий сосуд:

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется

Причем в этом сосуде всегда должен поддерживаться один и тот же уровень воды. Для этих целей в сосуде сделана переливная труба, через которую скидывается «лишняя» жидкость, и тем самым поддерживается постоянный уровень воды. И переливная труба начинает работать только тогда, когда через заливную трубу начнет поступать «лишняя» вода.

По точно такому же принципу и работает стабилитрон.

yandex.ru

yandex.ru

Итак, стабилитрон работает исключительно в цепях постоянного тока и пропускает напряжение в прямом направлении анод-катод как обычный диод. Но у него (стабилитрона) есть одна любопытная особенность, при подаче напряжения (катод-анод) ток не будет проходить через стабилитрон только до тех пор, пока величина напряжения не станет выше заданной величины, на которую рассчитан стабилитрон.

yandex.ru

yandex.ru

Как видно из рисунка выше, как только напряжение достигнет рабочей области стабилитрона, внутри него происходит пробой и ток начинает протекать через него.

Внешний вид стабилитронов

Стабилитроны старого образца (советские) выпускались в алюминиевом корпусе с буквенной маркировкой и, чтобы определить его номинал, нужно искать характеристики на данный стабилитрон.

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется

С зарубежными образцами в этом плане гораздо проще, их наминал указывается непосредственно на корпусе изделия и выглядит это так:

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется

Основные параметры стабилитронов

Главными параметрами стабилитронов являются:

1. Напряжение. Этот параметр показывает, при каком значении напряжения стабилитрон станет пропускать ток в обратном направлении.

2. Ток. Этой величиной указывается максимальный ток, который способно пропустить изделие без выхода из строя.

Остальные параметры стабилизаторов представлены в таблице:

yandex.ru

yandex.ru

Стабилитрон в схеме

Теперь давайте соберем простейшую схему, которую еще называют параметрический стабилизатор.

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется

Итак, давайте в схеме применим стабилитрон Д814Б на напряжение стабилизации 8,9 Вольт. Получается, чтобы через наш стабилитрон стал протекать ток в обратном направлении напряжение источника питания должно быть больше напряжения стабилизации. Иначе говоря, источник должен выдавать 9 Вольт и более, чтобы стабилизатор открылся (заработал).

И все лишнее U будет сбрасываться через стабилизатор на минус. То есть стабилитрон — это наша переливная труба, отводит (сбрасывает) лишнее напряжение (воду).

Причем стабилизатор будет корректно работать как при плавном изменении напряжения, так и при его резком скачке.

Если напряжение источника питания снизится ниже 8.9 Вольта, то стабилизатор закроется, а напряжение на его выходе так же будет изменяться. То есть никакой стабилизации не будет в принципе.

Проверка стабилитрона

Проверка стабилизатора ничем не отличается от проверки работоспособности обыкновенного диода и для этого понадобится мультиметр.

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется

Переводим мультиметр в положение прозвонка, красный щуп прислоняем к аноду, а черный к катоду. При этом на экране прибора должно отобразиться паление напряжения прямого P-N перехода. Поменяв щупы местами на дисплее должна отобразиться «1».

Что такое стабилитрон, как он работает и для чего используется

Такие параметры скажут о полной исправности стабилитрона.

Проводим эксперимент

Итак, теперь давайте составим схему параметрического стабилизатора с Д814 Б. И начнем плавно увеличивать напряжение на источнике постоянного тока и при достижении порога срабатывания увидим следующее:

Заключение

На сегодняшний день параметрические стабилитроны постепенно уступают свое место специальным интегральным стабилизаторам и стабилизаторам на стабилитронах. Но в простых схемах все так же продолжают применяться.

Статья понравилась или оказалась полезна, не забудьте ее оценить. И спасибо за ваше внимание!

СТАБИЛИТРОН — это… Что такое СТАБИЛИТРОН?

(от лат. stabilis — устойчивый, постоянный) полупроводниковый- полупроводниковый прибор, предназначенный для стабилизации напряженияв электрич. цепях (см. Стабилизация тока и напряжения). Представляетсобой диод, работающий при обратном напряжении; вольт-амперная характеристика(ВАХ) С. (рис.) имеет участок с очень слабой зависимостью напряжения оттока (дифференц. сопротивление мало). Физ. механизмом, обусловливающимвозникновение такого участка, является лавинный либо туннельный пробой р — п-перехода. Конструктивно С. представляет собой -диод, в к-ром приняты меры по повышению однородности пробоя: специальнойконструкцией краевого контура р — n -перехода устранена возможностьпробоя по поверхности, а полупроводниковый материал имеет повыш. однородностьуд. сопротивления .В области малых напряжений «ступенька» тока определяется в осн. генерац. — га-перехода («ток насыщения»). При больших напряжениях определяющей становитсягенерация в области

пространственного заряда (ОПЗ) р —re-перехода, А напряжённость поляОПЗ в области максимума достигает величины, при к-рой рост обратного токауже определяется ударной либо туннельной ионизацией, а в точке В при U = Unp происходит пробой и наклон характеристики резкоменяется. Этот наклон зависит от мн. факторов: от вида пробоя, его однородности, р — n -переходов, В определяющим является туннельный, а при В — лавинный пробой, дающий значительно более крутой наклон ВАХ. Однаколавинный пробой развивается, как правило, неоднородно по площади, а в локальныхучастках — в областях т. н. микроплазмы, где имеются значит. искаженияполя в ОПЗ, происходящие из-за разл. рода дефектов, а также неоднородностейполя, связанных с неоднородностью легирования.

Обратная вольт-амперная характеристика стабилитрона: С — точка стабилизации;RH — нагрузочная прямая.

ВАХ С. после участка АВ становится практически линейной, посколькупри большом напряжении практически все области микроплазмы находятся встабильном проводящем состоянии и их линейные характеристики суммируются.

Осн. параметрами С. являются: динамич. сопротивление R Д= dU/dl при I = I ст; статич. сопротивление R= U ст/I ст; коэф. качества Q= R Д/R;температурный коэф. напряжения ТКН = dU ст/dT.

Напряжение стабилизации (7 СТ связано с напряжением пробоя, U ст задаются некоей определ. величиной тока I = I ст так, чтобы эта точка была за участком АВ. Отклонение тока от этойвеличины будет приводить к изменению напряжения на диоде; динамич. сопротивление R Д = dU/df характеризует степень стабилизации. Статич. R характеризует потери в диоде в заданной рабочейточке. Коэф. качества

представляет собой отношение относит. изменения напряжения на С. к относит. Q. Очень важныйпараметр — температурный коэф. напряжения. В случае лавинного пробоя

U пр с темп-рой возрастает; это происходит из-за уменьшения ср. длины свободногопробега носителей вследствие возрастания рассеяния на фононах решётки. энергия, поле, скорость роста довольно велика(ТКН ~ 0,1%/К). При туннельном пробое U пр наоборот, уменьшаетсяс ростом темп-ры из-за уменьшения ширины запрещённой зоны; характернаявеличина ТКН ~ 0,030.07%/К. В, когда туннельный и лавинный пробои развиваются одновременно.

У выпускаемых промышленностью С. напряжение стабилизации лежит в диапазоне2,2200 В, токстабилизации — от долей миллиампера до единиц ампер. Осн. полупроводниковымматериалом для С. является кремний, осн. технол. методы изготовления — п- — -структуры- термодиффузия примесей, сплавление, эпитаксия.

Лит.: Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов,2 изд., М., 1970; Грехов И. В., Сережкин Ю. Н.. Лавинный пробой р-n-переходав полупроводниках, Л., 1980.

Н. В. Грехов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Стабилитрон — это… Что такое Стабилитрон?

Условные графические обозначения обычных (вверху) и двуханодных (внизу) стабилитронов на принципиальных схемах

Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — плоскостной кремниевый полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя[1]. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко[1]. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом

[1]. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов[2].

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения[1][2]. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 1,8 В до 400 В[3]. Интегральные стабилитроны со скрытой структурой на напряжение около 7 В являются самыми точными и стабильными твердотельными источниками опорного напряжения: лучшие их образцы приближаются по совокупности показателей к нормальному элементу Вестона. Особый тип стабилитронов, высоковольтные лавинные диоды («подавители переходных импульсных помех», «суппрессоры», «TVS-диоды») применяются для защиты электроаппаратуры от перенапряжений.

Терминология и классификация

В русскоязычной литературе понятие «стабилитрон» без уточняющего «полупроводниковый» применяется именно к полупроводниковым стабилитронам. Уточнение необходимо, если нужно противопоставить стабилитроны полупроводниковые — устаревшим газонаполненным стабилитронам тлеющего и коронного разряда. Катодом стабилитрона обозначается вывод, в который втекает обратный ток (n-область обратно-смещённого p-n-перехода), анодом — вывод, из которого ток пробоя вытекает (p-область p-n-перехода). Двуханодные (двусторонние) стабилитроны состоят из двух стабилитронов, включенных последовательно во встречных направлениях, «катод к катоду» или «анод к аноду», что с точки зрения пользователя равнозначно.

Полупроводниковые стабилитроны вошли в промышленную практику во второй половине 1950-х годов. В прошлом в номенклатуре стабилитронов выделялись функциональные группы[4], впоследствии потерявшие своё значение, а современные полупроводиковые стабилитроны классифицируются по функциональному назначению на:

Название «зенеровский диод» (калька с английского zener diode, по имени первооткрывателя туннельного пробоя Кларенса Зенера), согласно ГОСТ 15133—77 «Приборы полупроводниковые. Термины и определения», в технической литературе не допустимо

[2]. В англоязычной литературе словом stabilitron или stabilotron называют стабилотрон — не получивший широкого распространения тип вакуумной генераторной лампы СВЧ-диапазона[7][8], а понятие zener или zener diode («зенеровский диод») применяется к стабилитронам всех типов независимо от того, какой механизм пробоя (зенеровский или лавинный) преобладает в конкретном приборе[9]. Английское avalanche diode («лавинный диод») применяется к любым диодам лавинного пробоя, тогда как в русскоязычной литературе лавинный диод, или «ограничительный диод» по ГОСТ 15133—77[10] — узко определённый подкласс стабилитрона с лавинным механизмом пробоя, предназначенный для защиты электроаппаратуры от перенапряжений. Ограничительные диоды рассчитаны не на непрерывное пропускание относительно малых токов, а на краткосрочное пропускание импульсов тока силой в десятки и сотни А. Так называемые «низковольтные лавинные диоды» (англ. 
low voltage avalanche
, LVA), напротив, предназначены для работы в неперерывном режиме. Это маломощные стабилитроны с необычно низким дифференциальным сопротивлением; в промышленной практике различие между ними и «обычными» стабилитронами стёрлось[11].

Некоторые «прецизионные стабилитроны» несут обозначения, характерные для дискретных приборов, но в действительности являются сложными интегральными схемами. Внутренними источниками опорного напряжения таких микросхем могут служить и стабилитроны, и бандгапы. Например, двухвыводной «прецизионный стабилитрон» 2С120 (аналог AD589) — это бандгап Брокау. На структурной схеме микросхемы TL431 изображён стабилитрон, но в действительности TL431 — это бандгап Видлара[12][13].

Не являются стабилитронами лавинно-пролётные диоды, туннельные диоды и стабисторы. Стабисторы — это маломощные диоды, предназначенные для работы на прямом токе в стабилизаторах напряжения и как датчики температуры. Характеристики стабисторов в обратном включении не нормировались, а подача на стабистор обратного смещения допускалась только «при переходных процессах включения и выключения аппаратуры»

[14]. Обращённые диоды в различных источниках определяются и как подкласс стабилитронов[15], и как подкласс туннельных диодов[16]. Концентрация легирующих примесей в этих диодах настолько велика, что туннельный пробой возникает при нулевом обратном напряжении. Из-за особых физических свойств и узкой области применения они обычно рассматриваются отдельно от стабилитронов и обозначаются на схемах особым, отличным от стабилитронов, символом[15][17].

Принцип действия

Полупроводниковый стабилитрон — это плоскостной кремниевый диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствии тепловой неустойчивости — катастрофического саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою

[19].

Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском университете[20]. Его «Теория электического пробоя в твёрдых диэлектриках» была опубликована летом 1934 года[21]. В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложеный Зенером туннельный механизм действует только при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при бо́льших напряжениях преобладает лавинный механизм

[20]. Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой:

  • Туннельный, или зенеровский, пробой возникает в полупроводнике только тогда, когда напряжённость электрического поля в p-n-переходе достигает уровня в 106 В/см. Такие уровни напряжённости возможны только в высоколегированных диодах (структурах p+-n+-типа проводимости) с напряжением пробоя не более шестикратной ширины запрещённой зоны (6 EG ≈ 6,7 В), при этом в диапазоне от 4 EG до 6 EG (4,5…6,7 В) туннельный пробой сосуществует с лавинным, а при напряжении пробоя менее 4 EG (≈4,5 В) полностью вытесняет его. С ростом температуры перехода ширина запрещённой зоны, а вместе с ней и напряжение пробоя, уменьшается: низковольтные стабилитроны с преобладанием туннельного пробоя имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН)[22].
  • В диодах с меньшими уровнями легирования, или меньшими градиентами легирующих примесей, и, как следствие, бо́льшими напряжениями пробоя наблюдается лавинный механизм пробоя. Он возникает при концентрациях примесей, примерно соответствующих напряжению пробоя в 4 EG (≈4,5 В), а при напряжениях пробоя выше 4 EG (≈7,2 В) полностью вытесняет туннельный механизм. Напряжение, при котором возникает лавинный пробой, с ростом температуры возрастает, а наибольшая величина ТКН пробоя наблюдается в низколегированных, относительно высоковольтных, переходах[23].

Механизм пробоя конкретного образца можно определить грубо — по напряжению стабилизации, и точно — по знаку его температурного коэффициента[24]. В «серой зоне» (см. рисунок), в которой конкурируют оба механизма пробоя, ТКН может быть определён только опытным путём. Источники расходятся в точных оценках ширины этой зоны: С. М. Зи указывает «от 4 EG до 6 EG» (4,5…6,7 В), авторы словаря «Электроника» — «от 5 до 7 В»[8], Линден Харрисон — «от 3 до 8 В»[25], Ирвинг Готтлиб проводит верхнюю границу по уровню 10 В[9]. Низковольтные лавинные диоды (LVA) на напряжения от 4 до 10 В — исключение из правила: в них действует только лавинный механизм[11].

Оптимальная совокупность характеристик стабилитрона достигается в середине «серой зоны», при напряжении стабилизации около 6 В. Дело не столько в том, что благодаря взаимной компенсации ТКН туннельного и лавинного механизмов эти стабилитроны относительно термостабильны, а в том, что они имеют наименьший технологический разброс напряжения стабилизации и наименьшее, при прочих равных условиях, дифференциальное сопротивление[26]. Наихудшая совокупность характеристик — высокий уровень шума, большой разброс напряжений стабилизации, высокое дифференциальное сопротивление — свойственна низковольтным стабилитронам на 3,3—4,7 В[27].

Производство

Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в пластиковом (вверху) и стеклянном (внизу) корпусах[28]

Силовые стабилитроны изготавливают из монокристаллического кремния по диффузионно-сплавной или планарной технологии, маломощные — по планарной, реже меза-технологии. В планарном диодном процессе используется две или три фотолитографии. Первая фотолитография вскрывает на поверхности защитного оксида широкие окна, в которые затем вводится легирующая примесь. В зависимости от требуемого профиля легирования могут применяться процессы ионной имплантации, химическое парофазное осаждение и диффузия из газовой среды или из поверхностной плёнки. После первичного ввода примеси её загоняют из поверхностного слоя вглубь кристалла при температуре 1100—1250 °C. Затем проводят операцию геттерирования — выталкивания поверхностных дефектов в глубину кристалла и пассивацию его поверхности. Геттерирование и пассивация не только снижают шум стабилитрона, но и радикально повышают его надёжность, устраняя основную причину случайных отказов — поверхностные дефекты. Вторая фотолитография вскрывает окна для нанесения первого, тонкого слоя анодной металлизации. После неё, при необходимости, проводится электронно-лучевое осаждение основного слоя анодной металлизации, третья фотолитография и электронно-лучевое осаждение металла со стороны катода[29].

Пластины перевозят на сборочное производство и там режут на отдельные кристаллы. Сборка стабилитронов в транзисторных (SOT23, TO220 и т. п.) и микросхемных (DIP, SOIC и т. п.) корпусах выполняется по обычным технологиям корпусирования. Массовая сборка диодов, в том числе стабилитронов, в двухвыводных корпусах с гибкими выводами может выполняться двумя способами[28]:

  • Диоды в пластиковых корпусах (Surmetic) собираются в два этапа. Вначале сборочный автомат припаивает кремниевый кристалл («таблетку») диода встык к уширенным торцам выводов. Выводы изготавливаются из меди, а их сечение сопоставимо с площадью кремниевой таблетки или превышает её. Торцы выводов формуются в форме шляпки гвоздя и обычно предварительно облуживаются. После пайки в сборочном автомате полуфабрикаты упаковываются в герметичные пластиковые цилиндры[28].
  • Диоды в стеклянных корпусах DO-35 и DO-41 собираются в один этап. Между кремниевой таблеткой и торцами гибкого вывода из биметаллической проволоки вкладываются две полые, облуженные биметаллические обоймы. На собранную заготовку из кристалла, обойм и выводов одевается стеклянная трубочка — будущий корпус. Сборка нагревается в печи до температуры плавления стекла; при остывании вначале отвердевает стекло, формируя герметичный спай с металлом выводов, а затем — припой[28].

В более дорогом варианте этой технологии используются три этапа термообработки: кристалл спаивается с молибденовыми или вольфрамовыми обоймами при температурах не менее 700 °С, капсулируется в стекло, и только затем припаиваются выводы[30]. Во всех случаях выводы дополнительно облуживаются после корпусирования[28]. Медные выводы предпочтительнее, так как отводят тепло лучше, чем биметаллические[31]. Присутствие внутри корпуса, по обе стороны тонкой кремниевой таблетки, значительной массы припоя определяет основной механизм отказа стабилитронов: короткое замыкание расплавом припоя, а в планарных интегральных стабилитронах — короткое замыкание расплавом алюминиевой металлизации[32][33].

Области применения

Защитные стабилитроны в «умном» МДП-транзисторе семейства Intelligent Power Switch компании International Rectifier[34]

Основная область применения стабилитрона — стабилизация постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора стабилитрон выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах стабилитрону отводится только функция источника опорного напряжения, а регулирующим элементом служит внешний силовой транзистор.

Прецизионные термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой широко применяются в качестве дискретных и интегральных источников опорного напряжения (ИОН), в том числе в наиболее требовательных к стабильности напряжения схемах измерительных аналого-цифровых преобразователь. C середины 1970-х годов и по сей день (2012 год) стабилитроны со скрытой структурой являются наиболее точными и стабильными твердотельными ИОН[35]. Точностные показатели лабораторных эталонов напряжения на специально отобранных интегральных стабилитронах приближаются к показателям нормального элемента Вестона[36].

Особые импульсные лавинные стабилитроны («подавители переходных импульсных помех», «суппрессоры», «TVS-диоды») применяются для защиты электроаппаратуры от перенапряжений, вызываемых разрядами молний и статического электричества, а также от выбросов напряжения на индуктивных нагрузках. Такие приборы номинальной мощностью 1 Вт выдерживают импульсы тока в десятки и сотни ампер намного лучше, чем «обычные» пятидесятиваттные силовые стабилитроны[37]. Для защиты входов электроизмерительных приборов и затворов полевых транзисторов используются обычные маломощные стабилитроны. В современных «умных» МДП-транзисторах защитные стабилитроны выполняются на одном кристалле с силовым транзистором[38].

В прошлом стабилитроны выполняли и иные задачи, которые впоследствии потеряли прежнее значение:

  • Ограничение, формирование, амплитудная селекция и детектирование импульсов. Ещё в эпоху электронных ламп кремниевые стабилитроны широко применялись для ограничения размаха импульсов и преобразования сигналов произвольной формы в импульсы заданной полярности[39][40]. С развитием интегральных технологий эту функцию взяли на себя устройства на быстродействующих компараторах, а затем цифровые процессоры сигналов.
  • Стабилизация напряжения переменного тока также сводилась к ограничению размаха синусоидального напряжения двусторонним стабилитроном. При изменении входного напряжении амплитуда выходного напряжения поддерживалась постоянной, а его действующее значение лишь незначительно отставало от действующего значения входного напряжения[41][40].
  • Задание напряжений срабатывания реле. При необходимости установить нестандартный порог срабатывания реле последовательно с его обмоткой включали стабилитрон, доводивший порог срабатывания до требуемого значения. С развитием полупроводниковых переключательных схем сфера применения реле сузилась, а функцию управления реле взяли на себя транзисторные и интегральные пороговые схемы[42][43].
  • Задание рабочих точек усилительных каскадов. В ламповых усилителях 1960-х годов стабилитроны использовались как замена RC-цепочек автоматического смещения. На нижних частотах звукового диапазона и на инфразвуковых частотах расчётные ёмкости конденсаторов таких цепей становились неприемлемо велики, поэтому стабилитрон стал экономичной альтернативой дорогому конденсатору[44][45].
  • Межкаскадный сдвиг уровней. Сдвиг уровней в ламповых усилителях постоянного тока обычно осуществлялся с помощью газонаполненных стабилитронов или обычных неоновых ламп. C изобретением полупроводниковых стабилитронов они стали применяться вместо газонаполненных. Аналогичные решения применялись и в транзисторной аппаратуре[46], но были быстро вытеснены более совершенными схемами сдвига уровней на транзисторах.
  • Стабилитроны с высоким ТКН использовались как датчики температуры в мостовых измерительных схемах[47]. По мере снижения напряжений питания и потребляемых мощностей эту функцию приняли на себя прямо смещённые диоды, транзисторные PTAT-цепи и интегральные схемы на их основе.

В среде моделирования SPICE модель элементарного стабилитрона используется не только по прямому назначению, но и для описания режима пробоя в моделях «реальных» биполярных транзисторов. Стандартная для SPICE модель транзистора Эберса—Молла режим пробоя не рассматривает[48].

Основные характеристики стабилитрона

Токи и напряжения стабилизации

ГОСТ 25529—82 «Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров» определяет ток стабилизации (Iст) и напряжение стабилизации (Uст) стабилитрона как значения постоянных напряжений и токов в режиме стабилизации[49]. Режим стабилизации возможен в достаточно широкой области токов и напряжений, поэтому в технической документации указываются допустимые минимальные и максимальные значения (Iст.макс, Uст.макс) токов (Iст.мин, Iст.макс) и напряжений (Uст.мин, Uст.макс) стабилизации. Внутри этих диапазонов лежат выбранные производителем номинальные значения Iст и Uст. Минимальный ток стабилизации обычно приравнивается к току на выходе из зоны перелома обратной ВАХ, максимальный ограничен допустимой рассеиваемой мощностью, а номинальный ток обычно устанавливается на уровне от 25 до 35 % от максимального[50]. Минимальные токи низковольтных лавинных диодов измеряются единицами и десятками микроампер[51], минимальные токи «обычных» стабилитронов — единицами миллиампер.

Например, номинальное напряжение советского стабилитрона 2С133В, как следует из его обозначения, равно 3,3 В, а номинальный ток стабилизации — ток, при котором измеряются его паспортные характеристики — равен 5 мА. Минимальный ток стабилизации для всех рабочих температур (—60…+125° С) установлен на уровне 1 мА, максимальный — зависит от температуры и атмосферного давления. При нормальном атмосферном давлении и температуре, не превышающей +35° С, ток не должен превышать 37,5 мА, а при температуре +125° С — 15 мА. При снижении давления до 665 Па (5 мм рт.ст, или 1/150 нормального атмосферного давления) максимальные токи снижаются вдвое из-за худшего теплоотвода в разреженной среде. Паспортный разброс напряжения стабилизации (Uст.минUст.макс) этого прибора нормируется для тока 5 мА и четырёх различных температур от —60° С до +125° С. При —60° С разброс напряжений составляет 3,1…3,8 В, при +125° С — 2,8…3,5 В[52].

Дифференциальное сопротивление

Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов одного семейства (Motorola, 1970-е годы) от напряжения стабилизации и тока стабилизации[53]

Дифференциальное, или динамическое сопротивление стабилитрона равно отношению приращения напряжения стабилизации к приращению тока стабилизации в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации[54]. Оно определяет его нестабильность прибора по напряжению питания (по входу) и по току нагрузки (по выходу). Для уменьшения нестабильности по входу стабилитроны запитывают от источников постоянного тока, для уменьшения нестабильности по выходу — включают между стабилитроном и нагрузкой буферный усилитель постоянного тока на эмиттерном повторителе или операционном усилителе, или применяют схему составного стабилитрона[55]. Теоретически, дифференциальное сопротивление стабилитрона уменьшается с ростом тока стабилизации. Это правило, сформулированное для условия постоянной температуры p-n-перехода, на практике действует только в области малых токов стабилизации. При бо́льших токах неизбежный разогрев кристалла приводит к росту дифференциального сопротивления, и как следствие — к увеличению нестабильности стабилизатора[56].

Для маломощного стабилитрона 2С133В дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации 1 мА равно 680 Ом, а при номинальном токе в 5 мА и температурах от —60 до +125° С не превышает 150 Ом он не превышает 150 мА[57]. Стабилитроны бо́льшей мощности на то же номинальное напряжение имеют меньшее дифференциальное сопротивление, например, КС433А — 25 Ом при 30 мА. Дифференциальное сопротивление низковольтных лавинных диодов (LVA) примерно на порядок ниже, чем в «обычных» стабилитронах: например, для LVA351 (напряжение 5,1 В, мощность 400 мВт) оно не превышает 10 Ом при токе 10 мА[58]. Внутри каждого семейства стабилитронов (одной и той же максимальной мощности) наименьшие абсолютные значения дифференциального сопротивления при заданном токе имеют стабилитроны на напряжение 6 В[26].

Температурный коэффициент напряжения

Точка нулевого ТКН в стабилитроне с нормально положительным ТКН (ITK0Iст.ном.)

ГОСТ определяет температурный коэффициент напряжения как «отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды» при заданном постоянном токе стабилизации[59]. ТКН обычных, не термокомпенсированных диодов, при их номинальных токах составляет для стабилитронов туннельного пробоя (Uст<4 Eg) от −0,05 до −0,1 %/°C, а для стабилитронов лавинного пробоя (Uст<4 Eg) — от 0,05 до 0,1 %/°C. Иными словами, при нагреве стабилитрона от +25° С до +125° С сдвиг напряжения стабилизации составит от 5 до 10 % начального значения.

В области малых и средних токов на вольт-амперных характеристиках стабилитронов на напряжение 4,5…6,5 В[60] можно найти точку (значение тока ITK0 и напряжения UTK0), в которой температурный коэффициент близок к нулю. Если стабилизировать ток стабилитрона внешним источником тока на уровне, точно равном ITK0, то напряжение на стабилитроне, равное UTK0, будет практически независимым от температуры. Такой подход применяется в интегральных стабилитронных источниках опорного напряжения, но не применим к устройствам на дискретных стабилитронах. Точное значение ITK0 можно определить только опытным путём, что в условиях серийного производства неприемлемо[61]. Стабилитроны на напряжение менее 4,5 В также имеют точку нулевого ТКН, но она достигается лишь при запретительно высоких токах[60]. Стабилитроны на напряжение свыше 6,5 В имеют положительный (ненулевой) ТКН во всём диапазоне токов[60].

Дрейф и шум

Подробное рассмотрение темы: Дрейф и шум источников опорного напряжения

Дрейф и шум обычных, не прецизионных, стабилитронов нормируются редко. Для прецизионных стабилитронов это, напротив, важнейшие показатели наравне с начальным разбросом и ТКН[62]. Высокий уровень шума обычных стабилитронов обусловлен высокой концентрацией загрязнений и дефектов кристаллической решётки в области p-n-перехода. Защитная пассивация оксидом или стеклом, при которой эти примеси выталкиваются из приповерхностных слоёв в толщу кристалла, снижает шумы лишь отчасти[63]. Радикальный способ снижения шума — выталкивание вглубь кристалла не примесей, а самого p-n-перехода — применяется в малошумящих стабилитронах со скрытой структурой. Лучшие образцы таких приборов имеют размах низкочастотных (0,1—10 Гц) шумов не более 3 мкВ при длительном дрейфе не более 6 мкВ за первые 1000 часов эксплуатации[64][65].

Наибольший уровень шумов стабилитрона наблюдается в области перелома вольт-амперной характеристики. Инструментально снятые кривые высокого разрешения показывают, что ВАХ перелома имеют не гладкий, а ступенчатый характер; случайные сдвиги этих ступеней и случайные переходы тока со ступени на ступень порождают так называемый шум микроплазмы. Этот шум имеет спектр, близкий белому шуму в полосе частот 0—200 кГц. При переходе из области перелома ВАХ в область токов стабилизации уровень этих шумов резко снижается[66].

Динамические характеристики

Частота переключения стабилитрона общего назначения обычно не превышает 100 кГц[67]. Пробой не происходит мгновенно, а время срабатывания зависит как от преобладающего механизма пробоя, так и от конструкции стабилитрона. Во время этого процесса напряжение на стабилитроне может превышать его номинальное значение стабилизации. Частотный диапазон переключательных схем на стабилитронах можно расширить, включив последовательно со стабилитроном быстрый импульсный диод. При уменьшении напряжения на цепочке стабилитрон-диод диод закрывается первым, препятствуя разрядке ёмкости стабилитрона. Заряд на этой ёмкости достаточно долго поддерживает на стабилитроне напряжение стабилизации, то есть стабилитрон никогда не закрывается[67].

Область безопасной работы

Ограничения области безопасной работы стабилитронов серии NZX при непрерывной стабилизации напряжения

«История показала, что главной причиной выхода диодов из строя является превышение допустимых электрических и тепловых нагрузок.»
Руководство по полупроводниковым приборам НАСА[68]

Область безопасной работы стабилитрона ограничена рядом параметров, важнейшими из которых является максимальные значения постоянного тока, импульсного тока, температуры p-n-перехода (+150 °С для корпуса SOT-23, +175 °С для корпуса DO-35, +200 °С для корпуса DO-41[69]) и рассеиваемой мощности. Все эти ограничения должны выполняться одновременно, а несоблюдение хотя бы одного из них ведёт к разрушению стабилитрона[70].

Ограничения по току и мощности очевидны, а ограничение по температуре требует оценки допустимой мощности, при которой расчётная температура p-n-перехода не превысит максимально допустимой. В технической документации такая оценка обычно приводится в форме графика зависимости допустимой мощности P от температуры окружающей среды Ta. Если такого графика нет, следует оценить допустимую мощность по формуле для температуры перехода Tj:

,

где Rja — тепловое сопротивление между p-n-переходом и окружающей средой (воздухом) для непрерывно рассеиваемой мощности[71]. Типичное значения этого показателя маломощного стабилитрона, например, серии NZX, равно 380 °С/Вт[72]. Мощность, при которой расчётная температура не будет превышать установленного предела в +175 °С[72], ограничена величиной

Для ожидаемой температуры окружающей среды +50 °С расчётная мощность составляет всего 330 мВт — в полтора раза меньше паспортного максимума мощности в 500 мВт[72].

Характер и причины отказов

Катастрофическое короткое замыкание может быть вызвано не только выходом за пределы области безопасной работы, но и медленной миграцией атомов легирующей примеси в p-n-переходе. В силовых стабилитронах с пружинным крепление одного из выводов к кристаллу наблюдаются механические повреждения кристалла в зоне контакта с пружиной. Если трещина или потёртость кристалла достигает зоны p-n-перехода, то возможно как катастрофическое, так и перемежающееся, «блуждающее» короткое замыкание, а также стабильное уменьшение напряжения стабилизации[20].

Старение стабилитронов может проявляться в виде повышенного дрейфа токов, напряжений и дифференциального сопротивления. Дрейф тока при длительной эксплуатации объясняется накоплением загрязняющих примесей в зоне p-n-перехода, в слое защитного оксида и на его поверхности. Дрейф тока при испытаниях при высокой влажностью объясняется негерметичностью корпуса стабилитрона. Дрейф выходного сопротивления, обычно сопровождающийся повышенным уровнем шума, связан с ухудшением электрического контакта между кристаллом и выводами[20].

Прецизионные стабилитроны

Термокомпенсированный стабилитрон

Принцип работы термокомпенсированного стабилитрона. Eg*, или Vmagic — фундаментальная постоянная, равная ширине запрещённой зоны кремния при Т=0 K (1,143 В) плюс поправка на нелинейность температурной характеристики кремния (77 мВ)

Термокомпенсированный стабилитрон — цепочка из последовательно соединённого стабилитрона на номинальное напряжение около 5,6 В и прямосмещённого диода — вошёл в практику разработчиков в конце 1960-х годов[73]. К 2000-м годам дискретные термокомпенсированные стабилитроны были вытесенены интегральными источникам опорного напряжения, обеспечившими лучшие показатели точности и стабильности при меньших токах и напряжениях питания[74].

В окрестности напряжения 5,6 В лавинный механизм пробоя преобладает над туннельным, но не подавляет его, а его температурный коэффициент имеет стабильное положительное значение около +2 мВ/°C. ТКН диода в прямом включении при нормальных рабочих температурах и токах равен примерно −2 мВ/°C. При последовательном соединении стабилитрона и диода их температурные коэффициенты взаимно компенсируются: абсолютная нестабильность по температуре такой цепочки может составлять всего 5 мВ в диапазоне −55…+100 °C или 2 мВ в диапазоне 0…+75 °C[75]. Нормированный ТКН таких приборов может составлять всего лишь 0,0005 %/°C, или 5 ppm/°C[76]. Диодом термокомпенсированного стабилитрона может служить второй стабилитрон, включенный во встречном направлении. Такие симметричные двуханодные приборы, допускающие работу при любой полярности напряжения, обычно оптимизированы для работы на номинальном токе 10 мА[77], или для тока, типичного для данного семейства стабилитронов (7,5 мА для двуханодного 1N822 из стандартной серии 1N821−1N829[78]). Если же диодом термокомпенсированого стабилитрона служит не стабилитрон, а «простой» диод с ненормированным напряжением пробоя, то эксплуатация прибора на прямой ветви вольт-амперной характеристики, как правило, не допускается[79].

Номинальное напряжение стабилизации типичного термокомпенсированного стабилитрона составляет 6,2 или 6,4 В при разбросе в ±5 % (в особых сериях ±2 % или %±1 %)[75]. В зарубежной номенклатуре наиболее распространены три шестивольтовые серии на номинальные токи 7,5 мА (1N821−1N829), 1,0 мА (1N4565−1N4569) и 0,5 мА (1N4565−1N4569)[80]. Номинальные токи этих серий соответствуют току нулевого ТКН. При меньших токах ТКН отрицательный, при бо́льших — положительный. Дифференциальное сопротивление приборов на 7,5 мА составляет не более 10…15 Ом[78], приборов на 0,5 мА — не более 200 Ом[81]. В CCCР выпускалась широкая линейка термокомпенсированных приборов на номинальные напряжения до 96 В[82], например, в серии Д818 на Uст.ном.=9,0 В использовались один стабилитрон и три диода[36]. В технической документации эти особенности внутренней структуры обычно не раскрываются: термокомпенсированные стабилитроны перечисляются в справочниках наравне с обычными или выделяются в отдельный подкласс «прецизионных стабилитронов»[83]. На принципиальных схемах они обозначаются тем же символом, что и обычные стабилитроны[84].

Стабилитрон со скрытой структурой

Подробное рассмотрение темы: Стабилитрон со скрытой структурой
Поперечный разрез стабилитрона со скрытой структурой. Стрелка — путь тока пробоя. Соотношения вертикального и горизонтального масштаба и толщин слоёв — условные.

Ток пробоя обычного планарного стабилитрона сосредоточен в приповерхностном слое кремния — в слое с максимальной концентрацией дефектов кристаллической решётки и посторонних примесей. Именно эти примеси и дефекты и обуславливают нестабильность и шум стабилитрона. Улучшить его показатели можно, если «загнать» ток пробоя вглубь кристалла, в скрытую структуру p-n-перехода с меньшим, чем в приповерхностном слое, напряжением пробоя. В классической эпитаксиальной технологии на месте будущего стабилитрона формируется глубокий островок p+-типа проводимости, а затем проводится обычные диффузии базового (p) и эмиттерного (n+) слоёв. Эмиттер созданной диодной структуры становится катодом стабилитрона, база — анодом. В приповерхностном слое этот переход имеет профиль проводимости n+-p, а на дне базовой области — n+-p+. Высоколегированный n+-p+ переход имеет меньшее, чем в приповерхностном n+-p-слое, напряжение пробоя, поэтому весь обратный ток стабилитрона именно на дне базовой области[85].

Первая интегральная схема на стабилитронах со скрытым слоем, LM199, была выпущена в 1976 году, а абсолютный рекорд по совокупности точностных характеристик принадлежит выпущенной в 1987 году LTZ1000[35]. Специально отобранные LTZ1000 используются в наиболее точных твердотельных эталонах напряжения компании Fluke, которая декларирует временную нестабильность в 1 ppm/год и ТКН в 0,1 ppm/°C[86][36]. LM199, LTZ1000 и их аналоги имеют характерную концентрическую топологию. В центре кристалла расположен стабилитрон, непосредственно к нему примыкают транзисторы — датчики температуры, а вокруг них «уложена» спираль подогревателя, также выполненная по планарной технологии. Внешний или встроенный терморегулятор поддерживает стабильно высокую температуру кристалла. Такие ИС имеют рекордно низкие показатели ТКН (LM199 — 0,3 ppm/°C, LTZ1000 — 0,05 ppm/°C[87]), шума (LTZ1000 — 1,2 мкВ пик-пик[87]) и длительного дрейфа (LTZ1000 — 2 мкВ/1000ч[87]). Заявленные показатели достигаются только при тщательном термостатировании и экранировании схемы и жёсткой стабилизации тока стабилитрона.

Схемы включения стабилитрона

Базовая схема параллельного стабилизатора

Базовая схема и три наихудших случая её работы: короткое замыкание, обрыв нагрузки и срыв стабилизации

Простейший параллельный стабилизатор состоит из балластного резистора, включенного последовательно между источником питания и нагрузкой, и стабилитрона, шунтирующего нагрузку на общий провод («на землю»). 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. Cтабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи[88].

Расчёт параметрического стабилизатора на полупроводниковых стабилитронах аналогичен расчёту стабилизатора на газонаполненных приборов, с одним существенным отличием: газонаполненным стабилитронам свойственен гистерезис порогового напряжения. При емкостной нагрузке газонаполненный стабилитрон самовозбуждается, поэтому конструкции таких стабилизаторов обычно 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 следствие, 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 — например, на время зарядки разряженного конденсатора, подключенного непосредственно к выходу стабилизатора, или при катастрофическом отказе стабилитрона[89]. 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[90].
  • 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 невозможно 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 позводит ему выдать и максимальное напряжение, и максимальный ток одновременно[91].

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][92];
  • 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»[93].

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, не требуется. «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. Например, 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[fr]. Основная погрешность этой установки не превышала 20 ppm, а нестабильность по температуре — не более 2,5 ppm во всём рабочем диапазоне температур[36].

Составной стабилитрон

Составной стабилитрон (слева) и двусторонний («двуханодный») вариант этой схемы

Если схема требует снимать со стабилитрона бо́льшие 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 бо́льших 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 β раз (β — 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[94][95].

Схема составного стабилитрона не предназначена для работы на «прямом токе», но легко преобразуется в двустороннюю («двуханодный стабилитрон») с помощью диодного моста[95].

Базовая схема последовательного стабилизатора

Простейшая схема последовательного стабилизатора и пример её практического воплощения[96]

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[97]. Минимальное падение напряжения регулирующем транзисторе можно снизить, заменив балластный резистор на транзисторный источник тока.

Умножение напряжения стабилизации

Схема параллельного стабилизатора на +200 В, 0…25 мА с умножением напряжения низковольтного стабилитрона. Взаимозаменяемые варианты с npn- и с pnp-транзистором

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. Однако 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[98].

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 этом она не только фильтрует низкочастотный шум стабилитрона, но и обеспечивает плавное нарастание напряжения при запуске схемы. Как следствие, при включении питания возрастает тепловая нагрузка на последовательное сопротивление R1[98].

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

Типичная схема включения термокомпенсированного стабилитрона с источником тока на маломощном МДП-транзисторе со встроенным каналом[99]

Термокомпенсированные стабилитроны обычно питаются постоянным током от транзисторного или интегрального источника тока. Использование базовой схемы с балластным резистором не имеет смысла, так как 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 cхемах с током более 1 мА из-за высокой нестабильности по температуре (+0,336 %/°C)[100].

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, ГОСТ Р 52907-2008, определение 27″>нестабильность при длительной работе составляет порядка 100 ppm в месяц[101] — существенно выше того же показателя прецизионных интегральных ИОН.

Генератор белого шума на стабилитроне

Генератор шума в полосе до 1 МГц Генератор шума в полосе 1—100 МГц

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[102], во втором она определяется полосой пропускания интегральных усилителей (900 Мгц) и качеством монтажа[103].

Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём[103]. 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[104].

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 бо́льших 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[32][33].

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[32][33].

Примечания

  1. 1 2 3 4 Зи, 1984, с. 122
  2. 1 2 3 ГОСТ 15133—77, 1987, с. 13, определение 91
  3. TVS/Zener Theory and Design, 2005, p. 7
  4. Гершунский и др., 1975, с. 235, 237
  5. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, pp. 11, 12
  6. Harrison, 2005, p. 364
  7. Earls, A. R.; Edwards, R. E. Raytheon Company: The First Sixty Years. — Arcadia Publishing, 2005. — P. 84. — 128 p. — ISBN 9780738537474
  8. 1 2 Колесников, 1991, с. 520
  9. 1 2 Готтлиб, 2002, с. 331
  10. ГОСТ 15133—77, 1987, с. 12, определение 85
  11. 1 2 Готтлиб, 2002, с. 332
  12. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — 2-е изд.. — Додэка, 1998. — С. 219, 220, 225-228. — ISBN 5878350211
  13. Полный анализ схемы TL431 см в Basso, C. The TL431 in Switch-Mode Power Supplies loops: part I // ON Semiconductor. — 2009.
  14. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 394-398
  15. 1 2 Amos, Stanley et al. Newnes Dictionary of electronics. — 4-th ed.. — Oxford: Newnes / Elsevier, 1999. — С. 22. — 389 с.
  16. Колесников, 1991, с. 333
  17. ГОСТ 15133—77, 1987, с. 11, определение 75
  18. Harrison, 2005, p. 372, fig.13.7
  19. Зи, 1984, с. 103-104, 122
  20. 1 2 3 4 Bazu, Bajenescu, 2011, chapter 5.3.1.4 Z Diodes
  21. Zener, C. A Theory of Electrical Breakdown in Solid Dielectrics // Proceedings of the Royal Society, London A 2. — 1934. — Vol. 145. — № 855. — P. 523-529. — DOI:0.1098/rspa.1934.0116
  22. Зи, 1984, с. 105-106
  23. Зи, 1984, с. 109-115
  24. Зи, 1984, с. 106
  25. Harrison, 2005, p. 374
  26. 1 2 Хоровиц и Хилл, 1986, с. 315-316
  27. Пиз, 2001, с. 113. В переводе ошибка: «малое дифференциальное сопротивление» вместо «большого» (в оригинале «poor impedance specs»)
  28. 1 2 3 4 5 TVS/Zener Theory and Design, 2005, p. 10
  29. TVS/Zener Theory and Design, 2005, p. 9
  30. NASA, 1988, p. 4-65
  31. NASA, 1988, p. 4-63
  32. 1 2 3 Camenzind, 2005, p. 1-28
  33. 1 2 3 Пиз, 2001, с. 115
  34. AUIPS2031R Intelligent power low side switch. International Rectifier (2010). Архивировано из первоисточника 26 ноября 2012. Проверено 22 ноября 2012.
  35. 1 2 Harrison, 2005, pp. 417-420
  36. 1 2 3 4 Авербух, В. Прецизионные источники опорного напряжения // Додэка. — 2000.
  37. Пиз, 2001, с. 113
  38. Подробный (но изрядно устарелый) обзор «умных» транзисторов см. Hayes, A. An introduction to intelligent power. ST Microelectronics (1999). Проверено 22 ноября 2012.
  39. Гершунский и др., 1975, с. 238, 239
  40. 1 2 NASA, 1988, p. 4-58
  41. Гершунский и др., 1975, с. 237, 239
  42. Гершунский и др., 1975, с. 240, 241
  43. NASA, 1988, p. 4-59,4-63
  44. Гершунский и др., 1975, с. 239, 240
  45. NASA, 1988, p. 4-60
  46. Гершунский и др., 1975, с. 240
  47. NASA, 1988, p. 4-61
  48. Camenzind, 2005, p. 2-12
  49. ГОСТ 25529—82, 1986, с. 11, определения 81 и 82
  50. Harrison, 2005, p. 369
  51. PLVA2600A series low-voltage avalanche regulator double diodes. NXP Semiconductors. Архивировано из первоисточника 26 ноября 2012. Проверено 22 ноября 2012.
  52. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292 (данные серий 2С133В, 2С133Г)
  53. Хоровиц и Хилл, 1986, с. 315, рис. 5.18
  54. ГОСТ 25529—82, 1986, с. 12, определение 84
  55. Harrison, 2005, pp. 376
  56. NASA, 1988, p. 4-56
  57. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292
  58. Low voltage avalanche zener diodes. Knox Semiconductor. Архивировано из первоисточника 26 ноября 2012. Проверено 22 ноября 2012., данные серии 1N6083/LVA347
  59. ГОСТ 25529—82, 1986, с. 12, определение 85
  60. 1 2 3 NASA, 1988, p. 4-70
  61. Harrison, 2005, pp. 374-375
  62. Harrison, 2005, pp. 326, 327, 332
  63. Harrison, 2005, p. 368
  64. Harrison, 2005, p. 434
  65. VRE3050: Low Cost Precision Reference. Thaler Corporation (2000-07-01). Архивировано из первоисточника 26 ноября 2012. Проверено 1 ноября 2012.. Данные серии VRE3050J. В 2012 году производится компанией Apex Microtechnology, выделившейся из состава Cirrus Logic и унаследовавшей линейку ИОН Thaler
  66. NASA, 1988, p. 4-72, 4-73
  67. 1 2 NASA, 1988, p. 4-71
  68. NASA, 1988, p. 4-75: «History has shown that the largest single cause of diode failure is operating above allowable levels of thermal and electrical stress.»
  69. Harrison, 2005, p. 382
  70. Harrison, 2005, pp. 376-377
  71. Harrison, 2005, pp. 379-380
  72. 1 2 3 NZX series. Single zener diodes. Product data sheet. NXP Semiconductors. Архивировано из первоисточника 26 ноября 2012. Проверено 22 ноября 2012.
  73. Harrison, 2005, pp. 393, 394
  74. Harrison, 2005, p. 400
  75. 1 2 Harrison, 2005, p. 394
  76. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 357
  77. NASA, 1988, p. 4-57
  78. 1 2 [www.datasheetcatalog.org/datasheet/microsemi/sa6-3.pdf 1N821 thru 1N829A-1 DO-7 6.2 & 6.55 Volt Temperature Compensated Zener Reference Diodes]. Microsemi Corporation (2003). Проверено 28 ноября 2012.
  79. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 349
  80. Harrison, 2005, pp. 398-399
  81. 1N4565 thru 1N4584A-1 DO-7 6.4 Volt Temperature Compensated Zener Reference Diodes. Microsemi Corporation (2003). Проверено 28 ноября 2012.
  82. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 357, данные серии КС596
  83. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 347
  84. Действующий ГОСТ 2.730-73 «Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые» не предусматривает особого обозначения для прецизионных составных приборов
  85. Mitchell, L. Understanding and Applying Voltage References // Linear Technology. — 1999. — № Application Note 82.
  86. Fluke Corporation A practical approach to maintaining DC reference standards // Fluke Corporation. — 2000. — P. 6.
  87. 1 2 3 LTZ1000/LTZ1000A: Ultra Precision Reference. Linear Technology (1987). Архивировано из первоисточника 26 ноября 2012. Проверено 1 ноября 2012.
  88. ГОСТ 23419—79 «Средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры». — С учётом изменения 1. — Госстандарт СССР, 1985. — С. 2, определение 11. — 4 с.
  89. Harrison, 2005, p. 378: при отказе стабилитрона, обычно его выводы закорачиваются
  90. Harrison, 2005, pp. 376-379
  91. Harrison, 2005, p. 378
  92. Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292 (данные серий 2С133В, 2С133Г) или 269 (данные серии Д814) и т.п.
  93. Мощные полупроводниковые диоды, 1985, с. 126 (справочные данные серии Д815) и т.п.
  94. Harrison, 2005, pp. 382-386
  95. 1 2 Пиз, 2001, с. 116, рис. 6.4
  96. Harrison, 2005, p. 387, c. 13.15
  97. Harrison, 2005, pp. 386-387
  98. 1 2 Broskie, J. Subject: Virtual Zener // Tube CAD Journal. — 1999. — № December 1999. — P. 17.
  99. Harrison, 2005, p. 398, рис. 13.26
  100. Harrison, 2005, pp. 397, 398
  101. Harrison, 2005, pp. 395, 396
  102. Генератор белого шума // Радио. — 1979. — № 9. — С. 58.
  103. 1 2 Building a Low-Cost White-Noise Generator // Maxim Integrated Application Notes. — 2005. — № AN 3469.
  104. Hickman, I. Hickman’s Analog and RF Circuits. — Newnes, 1998. — P. 145-150. — 320 p. — ISBN 9780750637428

Источники

  • Готтлиб, И. М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. — Постмаркет, 2002. — 544 с. — ISBN 5901095057
  • Гершунский, Б. С. и др. Справочник по основам электронной техники. — Киев: Издательство «Вища школа» при Киевском госуниверситете, 1975. — 352 с. — 86 000 экз.
  • ГОСТ 15133—77 «Приборы полупроводниковые. Термины и определения». — С учётом изменений 1-4. — Госстандарт СССР, 1987. — 30 с.
  • ГОСТ 25529—82 «Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров». — с учётом изменения 1. — Госстандарт РФ, 1986. — 28 с.
  • Зи, С. М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — 456 с. — 16 000 экз.
  • Колесников, В. Г. и др. Электроника. Энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия, 1991. — 688 с. — ISBN 5852700622
  • Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — 2-е изд.. — М.: Додэка, 1998. — ISBN 5878350211
  • Мощные полупроводниковые диоды / под ред. А. В. Голомедова. — М.: Радио и связь, 1985. — 400 с. — 50 000 экз.
  • Пиз, Р. Практическая электроника аналоговых устройста. — М.: ДМК-Пресс, 2001. — ISBN 5940740049
  • Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры / под ред. А. В. Голомедова. — М.: Радио и связь, 1988. — 528 с. — 100 000 экз. — ISBN 5256001450
  • Хоровиц, П., Хилл, У. Искусство схемотехники. — 3-е изд.. — М.: Мир, 1986. — Т. 1. — 598 с. — 50 000 экз.
  • Bazu, M.; Bajenescu, T. Failure Analysis: A Practical Guide for Manufacturers of Electronic Components and Systems. — Wiley, 2011. — 344 p. — ISBN 9781119990000
  • Camenzind, H. Designing Analog Circuits. — Virtualbookworm Publishing, 2005. — 244 p. — ISBN 9781589397187
  • Harrison, L. Current Sources & Voltage References. — Newnes, 2005. — 569 p. — (Electronics & Electrical). — ISBN 9780750677523
  • NASA parts application handbook. Volume 2: Diodes, transistors, microwave devices (MIL-HDBK-978-B). — NASA, 1988.
  • TVS/Zener Theory and Design Considerations. — ON Semiconductor, 2005. — 127 p.

принцип работы, схема и т.д.

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

Схема стабилитрона
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия стабилитрона

График напряжение-ток для стабилитрона похож на график напряжение-ток для P-N перехода обычного диода.

Когда стабилитрон имеет прямое смещение, то, также, как и в любом обычном диоде, ток, проходящий через него, возрастает при увеличении подаваемого напряжения. Когда же стабилитрон имеет обратное смещение, то ток бывает минимальным до того момента, пока подаваемое напряжение не достигнет значения напряжения пробоя для данного диода. Когда такое напряжение достигается, то происходит значительное увеличение протекающего тока. Однако, в отличие от обычного диода, стабилитрон предназначен для работы в условиях обратного смещения в зоне пробоя.

График напряжение-ток для стабилитрона

Напряжение стабилитрона

Необходимое напряжение стабилитрона — это то напряжение, при котором происходит пробой. В процессе изготовления стабилитрона, к основным исходным материалам добавляют определенное количество других материалов, присадок, так что во время работы данного прибора пробой происходит при совершенно конкретном значении напряжения.

Если подаваемое на стабилитрон напряжение превышает установленное для него напряжение пробоя на достаточно большую величину, то тепло, которое сопровождает прохождение через стабилитрон чрезмерного тока, может вызывать серьезные повреждения. Для того, чтобы предотвратить подобные неприятности, цепи со стабилитроном обычно имеют установленный последовательно резистор, который должен ограничивать величину тока, протекающего через стабилитрон. Если выбрано правильное значение сопротивления, то ток в цепи не будет превышать максимальное значение тока для стабилитрона.

Если же подаваемое напряжение меньше, того, на которое рассчитан стабилитрон, то сопротивление протеканию тока будет значительным и этот диод будет оставаться в основном в разомкнутом состоянии, однако, когда подаваемое напряжение станет равно или превысит расчетное напряжение стабилитрона, то сопротивление тока окажется преодоленным, и ток потечет через стабилитрон и по цепи.

При различных значениях напряжения выше напряжения стабилитрона, изменение внутреннего сопротивления возникает в результате изменений обедненной области прибора. В результате этого падение напряжения на стабилитроне будет относительно постоянным. Падение напряжения должно поддерживаться на уровне, близком к значению напряжения стабилитрона. Остальное напряжение источника электропитания понижается на последовательно подключенном резисторе.

Поскольку напряжение на стабилитроне значительно превышает напряжения стабилитрона, то цепь, которую мы только что описали, может быть использована для обеспечения подачи регулируемого напряжения на нагрузку. Если нагрузка включена параллельно со стабилитроном, то падение напряжение на нагрузке будет равно падению напряжения на стабилитроне.

Простая цепь с нагрузкой, соединенной параллельно с стабилитроном

Как работает стабилитрон. Стабилитрон — это что такое и для чего он нужен? Принцип работы стабилитрона

Много-много лет тому назад такого слова как стабилитрон не существовало вообще. Тем более в бытовой аппаратуре.

Попробуем представить себе громоздкий ламповый приёмник середины двадцатого века. Многие приносили их в жертву собственному любопытству, когда папа с мамой приобретали что-нибудь новое, а «Рекорд» или «Неман» отдавали на растерзание .

Блок питания лампового приёмника был предельно прост: мощный кубик силового трансформатора , который обыкновенно имел всего две вторичных обмотки, диодный мостик или селеновый выпрямитель, два электролитических конденсатора и резистор на два ватта между ними.

Первая обмотка питала накал всех ламп приёмника переменным током и напряжением 6,3V (вольт), а на примитивный выпрямитель приходило порядка 240V для питания анодов ламп. Ни о какой стабилизации напряжения и речи не шло. Исходя из того, что приём радиостанций вёлся на длинных, средних и коротких волнах с очень узкой полосой и ужасным качеством, наличие или отсутствие стабилизации напряжения питания на это качество совершенно не влияло, а приличной автоподстройки частоты на той элементной базе просто быть не могло.

Стабилизаторы в то время применялись только в военных приёмниках и передатчиках, конечно тоже ламповые. Например: СГ1П – стабилизатор газоразрядный, пальчиковый. Так продолжалось до тех пор, пока не появились транзисторы. И тут выяснилось, что схемы, выполненные на транзисторах очень чувствительны к колебаниям питающего напряжения, и обыкновенным простым выпрямителем уже не обойтись. Используя физический принцип, заложенный в газоразрядных приборах, был создан полупроводниковый стабилитрон реже называемый диод Зенера.

Графическое изображение стабилитрона на принципиальных схемах.

Внешний вид стабилитронов. Первый сверху в корпусе для поверхностного монтажа . Второй сверху – в стеклянном корпусе DO-35 и мощностью 0,5 Вт. Третий, – мощностью 1 Вт (DO-41). Естественно, стабилитроны изготавливают в разнообразных корпусах. Иногда в одном корпусе объединяется два элемента.

Принцип работы стабилитрона.

Прежде всего, не следует забывать, что стабилитрон работает только в цепях постоянного тока. Напряжение на него подают в обратной полярности, то есть на анод стабилитрона будет подан минус «-«. При таком включении через него протекает обратный ток (I обр ) от выпрямителя. Напряжение с выхода выпрямителя может изменяться, будет изменяться и обратный ток, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется неизменным, то есть стабильным. На следующем рисунке показана вольт-амперная характеристика стабилитрона.

Стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ (Вольт-Амперной Характеристики), как показано на рисунке. К его основным параметрам относятся U ст . (напряжение стабилизации) и I ст . (ток стабилизации). Эти данные указаны в паспорте на конкретный тип стабилитрона. Причём величина максимального и минимального тока учитывается только при расчёте стабилизаторов с прогнозируемым большим изменением напряжения.

Основные параметры стабилитронов.

Для того чтобы подобрать нужный стабилитрон необходимо разбираться в маркировках полупроводниковых приборов. Раньше все типы диодов, включая и стабилитроны, обозначались буквой “Д” и цифрой определяющей, что же это за прибор. Вот пример очень популярного стабилитрона Д814 (А, Б, В, Г). Буква показывала напряжение стабилизации.

Рядом паспортные данные современного стабилитрона (2C147A ), который использовался в стабилизаторах для питания схем на популярных сериях микросхем К155 и К133 выполненных по ТТЛ технологии и имеющих напряжение питания 5V.

Чтобы разбираться в маркировках и основных параметрах современных отечественных полупроводниковых приборов необходимо немного знать условные обозначения. Они выглядят следующим образом: цифра 1 или буква Г – германий, цифра 2 или буква К – кремний, цифра 3 или буква А – арсенид галлия. Это первый знак. Д – диод, Т – транзистор, С – стабилитрон, Л – светодиод. Это второй знак. Третий знак это группа цифр обозначающих сферу применения прибора. Отсюда: ГТ 313 (1Т 313) – высокочастотный германиевый транзистор, 2С147 – кремниевый стабилитрон с номинальным напряжением стабилизации 4,7 вольта, АЛ307 – арсенид-галлиевый светодиод.

Вот схема простого, но надёжного стабилизатора напряжения.

Между коллектором мощного транзистора и корпусом подается напряжение с выпрямителя и равное 12 – 15 вольт. С эмиттера транзистора мы снимаем 9V стабилизированного напряжения, так как в качестве стабилитрона VD1 мы используем надёжный элемент Д814Б (см. таблицу). Резистор R1 – 1кОм, транзистор КТ819 обеспечивающий ток до 10 ампер.

Транзистор необходимо разместить на радиаторе-теплоотводе. Единственный недостаток данной схемы – это невозможность регулировки выходного напряжения. В более сложных схемах подстроечный резистор, конечно, имеется. Во всех лабораторных и домашних радиолюбительских источниках питания есть возможность регулировки выходного напряжения от 0 и до 20 – 25 вольт.

Интегральные стабилизаторы.

Развитие интегральной микроэлектроники и появление многофункциональных схем средней и большой степени интеграции, конечно, коснулось и проблем связанных со стабилизацией напряжения. Отечественная промышленность напряглась и выпустила на рынок радиоэлектронных компонентов серию К142, которую составляли как раз интегральные стабилизаторы. Полное название изделия было КР142ЕН5А, но так как корпус был маленький и название не убиралось целиком, стали писать КРЕН5А или Б, а в разговоре они назывались просто «кренки».

Сама серия была достаточно большая. В зависимости от буквы варьировалось выходное напряжение. Например, КРЕН3 выдавал от 3 до 30 вольт с возможностью регулировки, а КРЕН15 был пятнадцативольтовым двухполярным источником питания.

Подключение интегральных стабилизаторов серии К142 было крайне простым. Два сглаживающих конденсатора и сам стабилизатор. Взгляните на схему.

Если есть необходимость получить другое стабилизированное напряжение, то поступают следующим образом: допустим, мы используем микросхему КРЕН5А на 5V, а нам нужно другое напряжение. Тогда между вторым выводом и корпусом ставится стабилитрон с таким расчётом, чтобы сложив напряжение стабилизации микросхемы, и стабилитрона мы получили бы нужное напряжение. Если мы добавим стабилитрон КС191 на V = 9,1 + 5V микросхемы, то на выходе мы получим 14.1 вольт.

Стабилитрон — это полупроводниковый диод с уникальными свойствами. Если обычный полупроводник при обратном включении является изолятором, то он выполняет эту функцию до определенного роста величины приложенного напряжения, после чего происходит лавинообразный обратимый пробой. При дальнейшем увеличении протекающего через стабилитрон обратного тока напряжение продолжает оставаться постоянным за счет пропорционального уменьшения сопротивления. Таким путем удается добиться режима стабилизации.

В закрытом состоянии через стабилитрон сначала проходит небольшой ток утечки. Элемент ведет себя как резистор, величина сопротивления которого велика. При пробое сопротивление стабилитрона становится незначительным. Если дальше продолжать повышать напряжение на входе, элемент начинает греться и при превышении током допустимой величины происходит необратимый тепловой пробой. Если дело не доводить до него, при изменении напряжения от нуля до верхнего предела рабочей области свойства стабилитрона сохраняются.

Когда напрямую включается стабилитрон, характеристики не отличаются от диода. При подключении плюса к p-области, а минуса — к n-области сопротивление перехода мало и ток через него свободно протекает. Он нарастает с увеличением входного напряжения.

Стабилитрон — это особый диод, подключаемый большей частью в обратном направлении. Элемент сначала находится в закрытом состоянии. При возникновении электрического пробоя стабилитрон напряжения поддерживает его постоянным в большом диапазоне тока.

На анод подается минус, а на катод — плюс. За пределами стабилизации (ниже точки 2) происходит перегрев и повышается вероятность выхода элемента из строя.

Характеристики

Параметры стабилитронов следующие:

  • U ст — напряжение стабилизации при номинальном токе I ст;
  • I ст min — минимальный ток начала электрического пробоя;
  • I ст max — максимальный допустимый ток;
  • ТКН — температурный коэффициент.

В отличие от обычного диода, стабилитрон — это полупроводниковое устройство, у которого на вольт-амперной характеристике области электрического и теплового пробоя достаточно далеко расположены друг от друга.

С максимально допустимым током связан параметр, часто указываемый в таблицах — мощность рассеивания:

P max = I ст max ∙ U ст.

Зависимость работы стабилитрона от температуры может быть как с положительным ТКН, так и отрицательным. При последовательном подключении элементов с разными по знакам коэффициентами создаются прецизионные стабилитроны, не зависящие от нагрева или охлаждения.

Схемы включения

Типовая схема простого стабилизатора, состоит из балластного сопротивления R б и стабилитрона, шунтирующего нагрузку.

В некоторых случаях происходит нарушение стабилизации.

  1. Подача на стабилизатор большого напряжения от источника питания при наличии на выходе фильтрующего конденсатора. Броски тока при его зарядке могут вызвать выход из строя стабилитрона или разрушение резистора R б.
  2. Отключение нагрузки. При подаче на вход максимального напряжения ток стабилитрона может превысить допустимый, что приведет к его разогреву и разрушению. Здесь важно соблюдать паспортную область безопасной работы.
  3. Сопротивление R б подбирается небольшим, чтобы при минимально возможной величине напряжения питания и максимально допустимом токе на нагрузке стабилитрон находился в рабочей зоне регулирования.

Для защиты стабилизатора применяются тиристорные схемы защиты или

Резистор R б рассчитывается по формуле:

R б = (U пит — U ном)(I ст + I н).

Ток стабилитрона I ст выбирается между допустимыми максимальным и минимальным значениями, в зависимости от напряжения на входе U пит и тока нагрузки I н.

Выбор стабилитронов

Элементы имеют большой разброс по напряжению стабилизации. Чтобы получить точное значение U н, стабилитроны подбираются из одной партии. Есть типы с более узким диапазоном параметров. При большой мощности рассеивания элементы устанавливают на радиаторы.

Для расчета параметров стабилитрона необходимы исходные данные, например, такие:

  • U пит = 12-15 В — напряжение входа;
  • U ст = 9 В — стабилизированное напряжение;

Параметры характерны для устройств с небольшим потреблением энергии.

Для минимального входного напряжения 12 В ток на нагрузке выбирается по максимуму — 100 мА. По закону Ома можно найти суммарную нагрузку цепи:

R ∑ = 12 В / 0,1 А = 120 Ом.

На стабилитроне падение напряжения составляет 9 В. Для тока 0,1 А эквивалентная нагрузка составит:

R экв = 9 В / 0,1 А = 90 Ом.

Теперь можно определить сопротивление балласта:

R б = 120 Ом — 90 Ом = 30 Ом.

Оно выбирается из стандартного ряда, где значение совпадает с расчетным.

Максимальный ток через стабилитрон определяется с учетом отключения нагрузки, чтобы он не вышел из строя в случае, если какой-либо провод отпаяется. Падение напряжения на резисторе составит:

U R = 15 — 9 = 6 В.

Затем определяется ток через резистор:

I R = 6/30 = 0,2 А.

Поскольку стабилитрон подключен к нему последовательно, I c = I R = 0,2 А.

Мощность рассеивания составит P = 0,2∙9 = 1,8 Вт.

По полученным параметрам подбирается подходящий стабилитрон Д815В.

Симметричный стабилитрон

Симметричный диодный тиристор представляет собой переключающий прибор, проводящий переменный ток. Особенностью его работы является падение напряжения до нескольких вольт при включении в диапазоне 30-50 В. Его можно заменить двумя встречно включенными обычными стабилитронами. Устройства применяют в качестве переключающих элементов.

Аналог стабилитрона

Когда не удается подобрать подходящий элемент, используют аналог стабилитрона на транзисторах. Их преимуществом является возможность регулирования напряжения. Для этого можно применять усилители постоянного тока с несколькими ступенями.

На входе устанавливают делитель напряжения с R1. Если входное напряжение возрастает, на базе транзистора VT1 оно также увеличивается. При этом растет ток через транзистор VT2, который компенсирует увеличение напряжения, поддерживая тем самым его стабильным на выходе.

Маркировка стабилитронов

Выпускаются стеклянные стабилитроны и стабилитроны в пластиковых корпусах. В первом случае на них наносятся 2 цифры, между которыми располагается буква V. Надпись 9V1 обозначает, что U ст = 9,1 В.

На пластиковом корпусе надписи расшифровываются с помощью даташита, где также можно узнать другие параметры.

Темным кольцом на корпусе обозначается катод, к которому подключается плюс.

Заключение

Стабилитрон — это диод с особыми свойствами. Достоинством стабилитронов является высокий уровень стабилизации напряжения при широком диапазоне изменения рабочего тока, а также простые схемы подключения. Для стабилизации малого напряжения приборы включают в прямом направлении, и они начинают работать как обычные диоды.

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.


Блок питания 0-30 Вольт своими руками

Сколько всяких интересных радиоустройств собирают радиолюбители, но основа, без которой не будет работать практически ни одна схема — блок питания . .Часто до сборки приличного блока питания просто не доходят руки. Конечно промышленность выпускает достаточно качественных и мощных стабилизаторов напряжения и тока, однако не везде они продаются и не у всех есть возможность их купить. Проще спаять своими руками.

Схема блока питания:


Предлагаемая схема простого (всего 3 транзистора) блока питания выгодно отличается от аналогичных точностью поддержания выходного напряжения — тут применена компенсационная стабилизация, надёжностью запуска, широким диапазоном регулировки и дешёвыми недефицитными деталями.


После правильной сборки работает сразу, только подбираем стабилитрон согласно требуемому значению максимального выходного напряжения БП.

Корпус делаем из того, что под рукой. Классический вариант — металлическая коробочка от компьютерного БП ATX. Уверен, каждый имеет их немало, так как иногда они сгорают, а купить новый проще, чем чинить.

В корпус прекрасно влазит трансформатор на 100 ватт, и плате с деталями найдётся место.

Кулер можно оставить — лишним не будет. А чтоб не шумел, просто питаем его через токоограничительный резистор, который подберёте экспериментально.

Для передней панели не поскупился и купил пластиковую коробочку — в ней очень удобно делать отверстия и прямоугольные окна для индикаторов и регуляторов.

Амперметр берём стрелочный — чтоб хорошо были видны броски тока, а вольтметр поставил цировой — так удобнее и красивее!

После сборки регулируемого блока питания проверяем его в работе — он должен давать почти полный ноль при нижнем (минимальном) положении регулятора и до 30В — при верхнем. Подключив нагрузку пол ампера — смотрим на просадку выходного напряжения. Она должна быть тоже минимальной.

В общем, при всей своей кажущейся простоте, данный блок питания наверное один из лучших по своим параметрам. При необходимости можно добавить в него узел защиты — пару лишних транзисторов.

Стабилитрон — chipenable.ru

   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

Стабилитрон это диод с рп-переходом, который характеризуется точ­но определенной величиной напряжения пробоя. В отличие от обычного диода стабилитрон работает в области обратной вольтамперной характе­ристики (рис. 27.1). В прямом направлении стабилитрон ведет себя как обычный диод. При обратном смещении перехода ток через стабилитрон практически отсутствует, пока величина обратного напряжения остается меньше величины напряжения туннельного пробоя VZ, обычно называе­мого напряжением стабилизации. Как только обратное напряжение до­стигает величины напряжения туннельного пробоя, стабилитрон начина­ет проводить ток. В области пробоя падение напряжения на стабилитроне практически не изменяется при очень больших изменениях тока. Стаби­литрон является полупроводниковым эквивалентом хорошо известного газотрона. Стабилитроны применяются для параллельной стабилизации и в качестве источников опорного напряжения (см. гл. 29).

 

Рис. 27.1. Прямая и обратная вольтамперные характеристики стабилитрона.

 

 Переключательный диод

Переключательный диод, или динистор, состоит из четырех чередующих из слоев полупроводниковых материалов, как показано на рис. 27.2. Когда такой диод смещен в прямом направлении, через него течет очень малый ток, пока не достигается область пробоя (рис. 27.3). При напря­жениях, меньших напряжения пробоя, динистор можно рассматривать, как ключ в положении ВЫКЛЮЧЕНО, а при напряжениях, больших на­пряжения пробоя, — как ключ в положении ВКЛЮЧЕНО.

 

                                   

 

Рис. 27.2. Переключательный диод,


Рис. 27.3. Вольтамперная характе­ристика переключательного диода.

Однооперационный триодный тиристор (SCR)

Управляемый выпрямитель, или однооперационный триодный тири­стор, еще один прибор с четырехслойной рпрп-структурой. В отличие от переключательного диода тиристор имеет третий вывод, называемый управляющим электродом (рис. 27.4). Величину критического напряже­ния пробоя можно теперь варьировать, изменяя потенциал управляю­щего электрода. На рис. 27.5 показаны вольтамперные характеристи­ки тиристора для двух различных значений тока в цепи управляющего электрода. При нулевом токе (когда потенциал управляющего электрода равен нулю) напряжение включения тиристора равно V1. Если теперь на управляющий электрод подать положительный по отношению к ка­тоду потенциал, вызывающий протекание тока Ig1 в цепи управляющего электрода, то включение будет происходить при меньшем напряжении V2. После перевода тиристора в проводящее состояние потенциал управляю­щего электрода не оказывает уже никакого влияния на ток тиристора. Тиристор можно выключить только путем уменьшения потенциала анода ниже уровня потенциала катода.

 

Рис. 27.4. Однооперационный триодный тиристор: условное обозначение

 и внешний вид прибора.

 

Рис. 27.5. Вольтамперные характеристики тиристора.

Триодные тиристоры находят широкое применение, поскольку они обладают высоким быстродействием и переключаются при подаче очень малого тока (т. е. очень малой мощности) в цепь управляющего электрода, коммутируя при этом токи порядка нескольких ампер.

Они очень часто используются для выпрямления тока и управления мощностью. Тиристор включается только во время положительного (или отрицательного) полупериодов синусоидального тока, вырабатывая пульсирующий ток одного направления. Управление мощностью осуществляется путем переключения тиристора в проводящее состояние на больший или меньший промежуток времени (см. гл. 29).

На рис. 27.6 показан тиристор, переключаемый последовательностью импульсов. Тиристор включается положительным фронтом каждого пульса и остается в проводящем состоянии, пока входное напряжение не упадет до нуля. Форма результирующего выходного напряжения повто­ряет часть положительного полупериода входного сигнала.

 

Рис. 27.6. Импульсное управление триодным тиристором (SCR).

На рис. 27.7 приведена схема переключения тиристора с помощью пе­ременного резистора R1, управляющего моментом переключения. Пере­ключение осуществляется самим входным сигналом. При установке ми­нимального значения сопротивления резистора R1 переключение проис­ходит в самом начале полупериода входного напряжения, как показано на рис. 27.7(а). По мере увеличения сопротивления переключение про­исходит все позже и позже, поскольку амплитуда сигнала, подаваемо­го на управляющий электрод, становится меньше. При максимальном сопротивлении резистора R1 тиристор переключается непосредственно перед моментом достижения входным напряжением пикового значения (рис.27.7(б)). Заметим, что в рассматриваемой схеме тиристор можно переключить в проводящее состояние только в первой половине положительного полупериода, то есть до момента появления пикового напряжения на управляющем электроде. Если максимум пройден, переключение тиристора станет невозможным и выходное напряжение будет равно нулю.

 

Рис. 27.7. Тиристорный выпрямитель.

Для переключения тиристора во второй половине положительного по­лупериода, т. е. после прохождения положительного максимума, исполь­зуется фазосдвигающая цепь. В схеме на рис. 27.8 эту функцию выпол­няют конденсатор С и резистор R1. Напряжение, подаваемое на упра­вляющий электрод, имеет временную задержку (сдвигается по фазе от­носительно входного напряжения), как показано на рис. 27.8(б). Как уже говорилось, тиристор может переключиться только до момента прихода положительного максимума сигнала на управляющий электрод. Но в результате фазового сдвига к тому моменту времени, когда этот положи­тельный максимум попадет на управляющий электрод, положительный максимум входного напряжения будет уже пройден. Таким образом, с помощью фазосдвигающей цепи тиристор можно переключить в проводя­щее состояние и во второй половине положительного полупериода вход­ного напряжения (рис. 27.8(в)).

 

Рис. 27.8. Тиристорный выпрямитель с фазосдвигающей цепью R1C 

Варикап

Обнаружено, что диод с обратносмещенным рп-переходом имеет неболь­шую емкость, которая изменяется при изменении обратного напряжения, прикладываемого к переходу. Этот факт используется в технологии ин­тегральных схем для формирования конденсаторов внутри кремниевой пластины.

Обратносмещенные диоды, применяемые как конденсаторы перемен­ной емкости, называются варикапами или варакторами (рис. 27.9). По­мимо многих других применений варикапы используются в системах ав­томатической подстройки частоты и в программируемых измерительных Приборах. Хорошо известный метод электронной настройки также связан с применением варикапов в качестве подстроенных конденсаторов.

По сравнению с обычными конденсаторами переменной емкости вари­капы имеют меньшие размеры, большую чувствительность и очень высокую стабильность и надежность.

Рис. 27.9. Варикап.

                                                 Рис. 27.10. Однопереходный транзистор р-типа. (а) Условное обозна­чение. (б) Вольтамперная характе­ристика.

Однопереходный транзистор

Однопереходный транзистор — это прибор с отрицательным сопротивле­нием (в определенных условиях уменьшение напряжения сопровожда­ется увеличением тока). На рис. 27.10 показаны условное обозначение и вольт-амперная характеристика однопереходного транзистора р-типа. Как только напряжение на эмиттере достигнет величины, достаточной для прямого смещения рта-перехода между эмиттером и базой b1, от эмит­тера начинает течь ток. При этом падение напряжения на переходе па­дает до малой величины (приблизительно 0,6 В). Такие однопереходные транзисторы часто используются в качестве генераторов (см. схему на рис. 33.8) и для целей коммутации.

Симметричный диодный тиристор

Симметричный диодный тиристор — это еще один переключательный прибор с двумя выводами T1 и T2, как показано на рис. 27.11. При увеличении разности потенциалов между этими выводами независимо от полярности происходит пробой — включение. Симметричный диодный тиристор может проводить в обоих направлениях, и поэтому его также на­зывают двунаправленным диодом. Когда происходит включение, напря­жениена этом приборе падает до нескольких вольт. Напряжение вклю­чения находится в диапазоне   30-50 В. Симметричные диодные тиристоры используются как переключающие элементы, например для управления однооперационными триодными тиристорами.

Рис. 27.11. Симметричный диодный тиристор.

(а) Условное обозначение. (б) Внешний вид.

Рис. 27.12. Симметричный триодный тиристор.

(а) Условное обозна­чение. (б) Внешний вид.

Симметричный триодный тиристор

Симметричный триодный тиристор, или симистор, (рис. 27.12) — еще один двунаправленный диод с дополнительным выводом управляющего элек­трода. Пробой происходит, когда напряжение между выводами T1 и T2 (любой полярности) достигает определенного уровня.

Симистор можно переключить в проводящее состояние путем подачи на управляющий электрод сигнала, который может быть или положи­тельным, или отрицательным по отношению к выводам T1или T2. Симисторы также используются как переключающие элементы, например, для управления однооперационными триодными тиристорами.

Интегральные схемы

Прогресс технологии привел к улучшению надежности электронных устройств, а также к снижению их стоимости и размеров. Микроэлек­тронные схемы представляют собой миниатюрный ансамбль большого чи­сла электронных компонентов, как пассивных, так и активных.

Существует два типа микросхем: пленочные схемы и монолитные ин­тегральные схемы. Пленочные микросхемы подразделяются в свою оче­редь на тонкопленочные и толстопленочные схемы. Оба типа пленочных схем изготавливаются путем нанесения пленок специальной резистивной пасты на изолирующую подложку. Они применяются главным образом как резисторные схемы, но могут использоваться также для формирова­ния малогабаритных конденсаторов и катушек индуктивности.

Монолитные интегральные схемы, обычно называемые просто инте­гральными схемами (ИС), формируются в диске из кремния р-типа, или чипе. Кремниевый чип представляет собой очень тонкую пластину (толщиной 0.02 см) с площадью поверхности, эквивалентной площади поперечного сечения очень тонкого карандаша (приблизительно 26 мм2). Чип выполняет функцию подложки, в которой формируются различные электронные компоненты с помощью процесса, называемого диффузией. Интегральные схемы могут содержать большое число активных элементов: транзисторов, диодов и т. п., а также резисторов и конденсаторов. Тех­нология ИС большой степени интеграции (больших ИС, или БИС) по­зволяет создать на одном чипе целую электронную систему, например дешифратор или микропроцессор.

Хотя интегральные схемы являются твердотельными, т. е. механиче­ски прочными приборами, но как электронные схемы это весьма «дели­катные» устройства, требующие аккуратного обращения. Ниже перечи­слены меры предосторожности, которые нужно соблюдать при замене ИС.

1. ИС следует держать за корпус, избегая прикасания к выводам. В про­тивном случае на выводах могут появиться грязь и жир, что приводит к ухудшению электрического контакта.

2. При пайке ИС исключительное внимание должно уделяться отводу тепла, чтобы избежать перегрева микросхемы. Перегрев приводит к быстрому разрушению большинства ИС.

3. Напряжение питания должно соответствовать паспортному значению для данной микросхемы. Для питания большинства ИС нужен источ­ник питания с высокой степенью стабильности выходного напряже­ния. Это особенно важно для цифровых применений.

4. Мощность рассеяния для большинства ИС, исключая интегральные усилители мощности, очень мала. Поэтому необходимо исключить любые перегрузки, так как они могут вызвать превышение паспортной мощности рассеяния, перегрев и повреждение ИС.

5. При проведении измерений необходимо соблюдать меры предосторож­ности, чтобы не вызвать короткого замыкания соседних выводов ми­кросхемы. Следует использовать измерительные зонды специальной формы.

6. Если ИС МОП-типа не используется, все ее выводы должны бытьзакорочены между собой. Это следует делать независимо от того, лежит ли ИС на полке или упаковывается для транспортировки.

В этом видео рассказывается о стабилитронах:

Добавить комментарий

Стабилитрон — Инженеры в последнюю минуту

Обычные кремниевые диоды блокируют протекающий через них ток при обратном смещении и повреждаются при слишком высоком обратном напряжении. Поэтому эти диоды никогда не эксплуатируются преднамеренно в области пробоя.

Зенеровские диоды, однако, отличаются. Они специально разработаны для безотказной работы в зоне пробоя. По этой причине стабилитроны иногда называют пробивными диодами .

Стабилитроны являются основой регуляторов напряжения и цепей, поддерживающих напряжение нагрузки почти постоянным, несмотря на большие изменения сетевого напряжения и сопротивления нагрузки.

На следующих рисунках показаны схематические обозначения стабилитрона. В любом символе линии напоминают « Z », что означает « Zener ».

Работа стабилитрона

Стабилитрон может работать в любом из трех режимов: прямое, утечка и пробой. Давайте разберемся с этим на графике ВАХ стабилитрона.

Область прямого смещения

При прямом смещении стабилитроны ведут себя почти так же, как обычные кремниевые диоды, и начинают проводить ток при напряжении около 0,7 В.

Область утечки

Область утечки существует между нулевым током и пробоем.

В области утечки через диод протекает небольшой обратный ток. Этот обратный ток вызван термически произведенными неосновными носителями.

Область пробоя

Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, вы в конечном итоге достигнете так называемого напряжения Зенера В Z диода.

В этот момент в обедненном полупроводниковом слое происходит процесс, называемый лавинным пробоем, и диод начинает активно проводить ток в обратном направлении.

Из графика видно, что пробой имеет очень резкое излом, за которым следует почти вертикальное увеличение тока. Отметим, что напряжение на стабилитроне практически постоянно и примерно равно V Z на большей части области пробоя.

На графике также показан максимальный обратный ток I Z(Max) .Пока обратный ток меньше I Z(Max) , диод работает в безопасном диапазоне. Если ток превысит I Z(Max) , диод выйдет из строя.

Регулятор напряжения Зенера

Стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение в области пробоя, даже если ток через него изменяется. Это важная особенность стабилитрона, которую можно использовать в регуляторах напряжения. Поэтому стабилитрон иногда называют диодом-регулятором напряжения .

Например, выходной сигнал однополупериодного, двухполупериодного или мостового выпрямителя состоит из пульсаций, наложенных на постоянное напряжение. Подключив простой стабилитрон к выходу выпрямителя, мы можем получить более стабильное выходное напряжение постоянного тока.

На следующем рисунке показан простой стабилитрон (также известный как стабилитрон).

Для работы стабилитрона в состоянии пробоя стабилитрон смещается в обратном направлении путем подключения его катода к положительной клемме входного источника питания.

Последовательный (токоограничивающий) резистор R S включен последовательно со стабилитроном так, чтобы ток, протекающий через диод, был меньше его максимального номинального тока. В противном случае стабилитрон сгорит, как и любой прибор из-за слишком большой рассеиваемой мощности.

Источник напряжения В S подключается через комбинацию. Кроме того, чтобы поддерживать диод в состоянии пробоя, напряжение источника V S должно быть больше, чем напряжение пробоя стабилитрона V Z .

Стабилизированное выходное напряжение V out снимается со стабилитрона.

Операция пробоя

Чтобы проверить, работает ли стабилитрон в области пробоя, нам нужно рассчитать, с каким напряжением сталкивается диод.

Напряжение венина — это напряжение, которое существует, когда стабилитрон отключен от цепи.

Из-за делителя напряжения можно написать:

Когда это напряжение превышает напряжение стабилитрона, происходит пробой.

Серийный ток

Напряжение на последовательном резисторе равно разнице между напряжением источника и напряжением стабилитрона. Следовательно, согласно закону Ома, ток через последовательный резистор равен:

Последовательный ток остается одним и тем же независимо от наличия нагрузочного резистора. Это означает, что даже если вы отключите нагрузочный резистор, ток через последовательный резистор будет равен напряжению на резисторе, деленному на сопротивление.

Напряжение нагрузки и ток нагрузки

Поскольку нагрузочный резистор подключен параллельно стабилитрону, напряжение нагрузки совпадает с напряжением стабилитрона.

Используя закон Ома, мы можем рассчитать ток нагрузки:

Ток Зенера

Стабилитрон и нагрузочный резистор включены параллельно. Общий ток равен сумме их токов, что равно току через последовательный резистор.

Это говорит нам о том, что ток стабилитрона равен последовательному току минус ток нагрузки.

Общие напряжения стабилитронов

Стабилитроны производятся со стандартными номиналами напряжений, указанными в таблице ниже.В таблице перечислены общие напряжения для деталей 0,3 Вт и 1,3 Вт .

9013
2,7 В 3.0V 3.3v 3.3v 3.6v 3.9v 4.3v 4.7v
5.1V 5.6v 6.2V 6.8v 7.5V 8.2V 9.2V 9.1V
10V 12V 13V 15V 16V 18 В
20V 24V 27V 30V
4.7V 5.1V 5.1V 5.6v 6.2v 6.2v 6.8v 7.5v 8.2v
9.1V 10V 11V 12V 13V 15V 16V
18V 20V 22V 24V 27V 30V 36V 39V 43V 47V 51v 56V 62V
68V 75 В 100 В 200 В

Мощность соответствует мощности, которую диод может рассеять без повреждений.

Применение стабилитрона

До сих пор мы видели, как стабилитроны можно использовать для регулирования постоянного источника постоянного тока. Кроме того, диоды Зенера также используются в различных приложениях. Вот некоторые из них.

Предварительный регулятор

Основная идея предварительного регулятора состоит в том, чтобы обеспечить хорошо регулируемый входной сигнал стабилитрона, чтобы конечный выходной сигнал был очень хорошо регулируемым.

Ниже приведен пример предварительного регулятора (первый стабилитрон), управляющего стабилитроном (второй стабилитрон).

Формирование волны

В большинстве случаев стабилитроны остаются в области пробоя. Но есть исключения, такие как схемы формирования волны.

В приведенной выше схеме формирования сигнала два стабилитрона соединены встречно-параллельно для создания прямоугольной волны. Эту схему также в шутку называют « Генератор прямоугольных импульсов бедняка ».

В положительный полупериод верхний диод Z1 открыт, а нижний диод Z2 пробивается. Поэтому вывод обрезается.

В отрицательном полупериоде действие обратное. Нижний диод Z2 проводит, а верхний диод Z1 пробивается. Таким образом, на выходе получается примерно прямоугольная волна.

Уровень ограничения равен напряжению стабилитрона (пробой диода) плюс 0,7 В (диод с прямым смещением).

Создание нестандартных выходных напряжений

Комбинируя стабилитроны с обычными кремниевыми диодами, мы можем получить несколько нестандартных выходных напряжений постоянного тока, таких как: повреждение реле.Вам нужно сбросить часть напряжения. На рисунке ниже показан один из способов сделать это.

В этой схеме стабилитрон 5,6 В подключен последовательно с реле, так что на реле появляется только 6,4 В, что находится в пределах допуска номинального напряжения реле.

НазадПредыдущая статья

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

СледующаяСледующая статья

Светодиод (LED)

Стабилитрон

Связанные ресурсы: контрольно-измерительные приборы

Стабилитрон

 

Стабилитрон — это уникальный диод, который позволяет току течь в прямом направлении так же, как идеальный диод, но также позволяет ему течь в обратном направлении, когда напряжение превышает определенное значение, известное как напряжение пробоя. , «напряжение колена стабилитрона» или «напряжение стабилитрона».

Стабилитрон показан в типовых корпусах. Показан обратный ток — показан iZ

 

Операция:

 

Обычный твердотельный диод не будет пропускать значительный ток, если его обратное напряжение ниже обратного напряжения пробоя. Когда напряжение пробоя обратного смещения превышается, обычный диод подвергается сильному току из-за лавинного пробоя. Если этот ток не ограничен схемой, диод будет необратимо поврежден из-за перегрева.Стабилитрон обладает почти такими же свойствами, за исключением того, что устройство специально разработано так, чтобы иметь значительно сниженное напряжение пробоя, так называемое напряжение стабилитрона. В отличие от обычного устройства, стабилитрон с обратным смещением будет демонстрировать управляемый пробой и позволит току поддерживать напряжение на стабилитроне близким к напряжению пробоя стабилитрона. Например, диод с напряжением пробоя стабилитрона 3,2 В будет демонстрировать падение напряжения почти на 3,2 В в широком диапазоне обратных токов.Таким образом, стабилитрон идеально подходит для таких приложений, как генерация опорного напряжения (например, для усилительного каскада) или в качестве стабилизатора напряжения для слаботочных приложений.

 

Вольт-амперная характеристика стабилитрона с напряжением пробоя 17 вольт. Обратите внимание на изменение шкалы напряжения между прямым смещением (положительным) и обратным смещением (отрицательным) направлением

 

Другим механизмом, производящим аналогичный эффект, является лавинный эффект, как в лавинном диоде.Два типа диодов фактически сконструированы одинаково, и в диодах этого типа присутствуют оба эффекта. В кремниевых диодах до примерно 5,6 вольт эффект Зенера является преобладающим эффектом и показывает заметный отрицательный температурный коэффициент. Выше 5,6 вольт лавинный эффект становится преобладающим и имеет положительный температурный коэффициент.

 

В диоде на 5,6 В оба эффекта проявляются вместе, и их температурные коэффициенты почти компенсируют друг друга, поэтому 5.Диод 6 В является предпочтительным компонентом в приложениях, критичных к температуре. Современные технологии производства позволяют производить устройства с напряжением ниже 5,6 В с незначительными температурными коэффициентами, но по мере того, как встречаются устройства с более высоким напряжением, температурный коэффициент резко возрастает. Диод на 75 В имеет коэффициент в 10 раз больше, чем диод на 12 В.

 

Такие диоды, независимо от напряжения пробоя, обычно продаются под общим названием «стабилитрон».

 

Заявка:

 

Диоды Зенера

широко используются в качестве источников опорного напряжения и в качестве шунтирующих стабилизаторов для регулирования напряжения в небольших цепях.При параллельном подключении к источнику переменного напряжения с обратным смещением стабилитрон проводит ток, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода. С этого момента относительно низкий импеданс диода удерживает напряжение на диоде на этом уровне.

 

В этой схеме, типичном источнике опорного напряжения или регуляторе, входное напряжение UIN регулируется до стабильного выходного напряжения UOUT.Напряжение пробоя диода D стабильно в широком диапазоне токов и удерживает UOUT относительно постоянным, даже несмотря на то, что входное напряжение может колебаться в довольно широком диапазоне. Из-за низкого импеданса диода при такой работе резистор R используется для ограничения тока в цепи.

 

В случае этой простой ссылки ток, протекающий через диод, определяется по закону Ома и известному падению напряжения на резисторе R;

 

IDiode = (UIN — UOUT) / R
Значение R должно удовлетворять двум условиям:

 

1.R должно быть достаточно малым, чтобы ток через D поддерживал обратный пробой D. Значение этого тока указано в техпаспорте для D. Например, распространенное устройство BZX79C5V6, стабилитрон 5,6 В 0,5 Вт, имеет рекомендуемый обратный ток 5 мА. Если через D проходит недостаточный ток, то UOUT будет нерегулируемым и будет меньше номинального напряжения пробоя (это отличается от ламп регулятора напряжения, где выходное напряжение будет выше номинального и может возрасти до UIN). При расчете R необходимо учитывать любой ток через внешнюю нагрузку, не показанную на этой схеме, подключенную через UOUT.

 

2. R должно быть достаточно большим, чтобы ток через D не разрушил устройство. Если ток через D равен ID, его напряжению пробоя VB и максимальной рассеиваемой мощности PMAX, то IDVB < PMAX


В этой эталонной схеме к диоду может быть подключена нагрузка, и пока стабилитрон находится в состоянии обратного пробоя, диод будет обеспечивать стабильный источник напряжения для нагрузки. Стабилитроны в этой конфигурации часто используются в качестве стабильных эталонов для более совершенных схем стабилизаторов напряжения.

 

Шунтовые стабилизаторы просты, но требования к балластному резистору должны быть достаточно малы, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения в наихудшем случае (низкое входное напряжение одновременно с высоким током нагрузки) имеют тенденцию оставлять большой ток, протекающий через диод большую часть время, что делает довольно расточительный регулятор с высокой рассеиваемой мощностью покоя, подходящий только для меньших нагрузок.

 

Эти устройства также встречаются, как правило, последовательно с переходом база-эмиттер в транзисторных каскадах, где выборочный выбор устройства, сосредоточенного вокруг точки лавины или стабилитрона, может использоваться для введения компенсирующего температурного коэффициента балансировки транзисторного PN перехода.Примером такого использования может быть усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе контура обратной связи цепи регулируемого источника питания.

 

Диоды Зенера

также используются в устройствах защиты от перенапряжений для ограничения скачков переходного напряжения.

 

Другим примечательным применением стабилитрона является использование шума, вызванного его лавинным пробоем, в генераторе случайных чисел, который никогда не повторяется.

Что происходит при последовательном соединении стабилитронов?

Ключевые выводы

  • Стабилитроны

    могут быть размещены последовательно или параллельно с другими элементами схемы, в которую входят другие стабилитроны.

  • При последовательном подключении стабилитронов распределение тока и напряжения будет подчиняться законам Кирхгофа, и вы можете получить конкретное соотношение для распределения напряжения и тока в ваших диодах.

  • Стабилитроны серии

    Back-to-back обеспечивают некоторые полезные характеристики в цепях переменного тока благодаря их выпрямляющим свойствам.

Эти стабилитроны можно соединить последовательно.

Стабилитроны — это фундаментальные полупроводниковые устройства, используемые во многих интегральных схемах.Эти компоненты просты, поскольку обеспечивают выпрямление с высокой крутизной при прямом смещении. Они могут производиться серийно для использования в ряде систем и могут использоваться как отдельные компоненты. В некоторых схемах вы можете захотеть воспользоваться выпрямительным поведением стабилитронов, включенных последовательно, чтобы обеспечить некоторое полезное электрическое поведение. Если это сделано в ваших схемах, как последовательное расположение стабилитронов влияет на электрические характеристики?

Ответ зависит от того, как стабилитроны расположены последовательно — впритык или впритык.Когда вы последовательно размещаете стабилитроны таким образом, вы можете использовать некоторые простые приложения законов Кирхгофа и закона Ома для определения распределения напряжения и тока в последовательном расположении. Вот когда вы можете столкнуться с диодами Зенера, включенными последовательно, и как различные схемы влияют на распределение тока и напряжения в последовательной цепи.

Последовательное соединение стабилитронов

Как и другие элементы схемы, несколько стабилитронов могут быть соединены последовательно.Существует два типа последовательного подключения диодов. Сквозные схемы располагаются последовательно с катодами, обращенными друг к другу, или с обращенными друг к другу анодами. В этом случае один стабилитрон будет смещен в прямом направлении, а другой — в обратном. В сквозной схеме катод одного диода соединен с анодом другого диода, поэтому оба будут смещены в прямом направлении или оба будут смещены в обратном направлении.

Последовательно соединенные сквозные и встречно-параллельные вольт-амперные диоды.

Эффекты выпрямления в каждом последовательном диоде будут определять, как напряжение порождает ток в этой схеме. Если вы посмотрите на уравнение тока стабилитрона, выпрямительное поведение стабилитрона вызывает насыщение тока в обоих направлениях в встречно-параллельном стабилитроне. Другими словами, поскольку один диод всегда смещен в обратном направлении, ток будет ограничен током насыщения даже в диоде с прямым смещением. Этого не происходит при сквозном расположении, и его вольтамперная кривая будет выглядеть точно так же, как типичная вольтамперная кривая для одиночного стабилитрона.На приведенном ниже графике показано, как сравниваются токи в приведенных выше схемах «спина к спине» и «конец в конец».

Сквозная и встречная зависимость ток-напряжение для последовательно включенных стабилитронов.

Поскольку характеристики тока и напряжения сквозных диодов очень похожи на характеристики одиночного диода, нам не нужно проводить дополнительные исследования. Используя закон напряжения Кирхгофа и закон Ома, вы можете показать, что падения напряжения на каждом диоде в сквозной конфигурации равны, если диоды имеют одинаковый коэффициент идеальности и ток насыщения.Для встречно-параллельных диодов это не так, как мы увидим ниже.

Напряжение и ток в встречно-параллельных диодах

Чтобы понять, почему такое поведение насыщения возникает при встречно-параллельном расположении диодов, нам нужно посмотреть на распределение тока и напряжения в двух диодах, используя законы Кирхгофа и Закон Ома. Когда встречно-параллельные одинаковые стабилитроны последовательно подключены к источнику постоянного напряжения, происходит следующее:

  1. Диод с обратным смещением работает в режиме насыщения, поэтому он имеет самый высокий импеданс, в то время как диод с прямым смещением имеет самый низкий импеданс (согласно закону Ома).

  2. Поскольку диод с обратным смещением имеет самый высокий импеданс, он имеет самое большое падение напряжения, что ограничивает ток, создаваемый диодом с прямым смещением (согласно закону напряжения Кирхгофа).

  3. По мере увеличения напряжения, приложенного к паре диодов, ток в цепи приближается к току насыщения (согласно закону тока Кирхгофа).

Как правило, падение напряжения на каждом диоде можно определить, взглянув на токи насыщения и коэффициенты идеальности для каждого диода, установленного встречно-параллельно.Если вы используете закон Кирхгофа для тока, вы можете определить падение напряжения на диоде VB, смещенном в обратном направлении, и на диоде VF, смещенном в прямом направлении. Это определяется в следующем уравнении:

Напряжение обратного и прямого смещения в встречно-параллельном стабилитроне.

Это хорошо обобщает поведение постоянного тока и напряжения двух последовательно соединенных стабилитронов при включении встречно-параллельно: распределение напряжения полностью определяется коэффициентом идеальности диода, смещенным в прямом направлении, и токами насыщения в обоих диодах. диоды.Обратите внимание, что это поведение относится ко всем последовательно включенным диодам, а не только к последовательно включенным стабилитронам. Отличие последовательно включенных стабилитронов от некоторых других диодов заключается в их напряжении пробоя и обратном токе при пробое, а вольт-амперные характеристики будут напоминать те, которые наблюдаются у одиночного диода при пробое.

Ограничение переменного тока в встречно-параллельных диодах

Поведение выпрямления, характерное для одиночных диодов с обратным смещением, вызывает насыщение сигнала переменного тока, что затем ограничивает ток, который может быть направлен в цепь при обратном смещении; это основа для выпрямительных мостов.Если вы используете встречно-параллельное последовательное расположение стабилитронов, вы можете создать ограничитель тока, обеспечивающий обрезание волны переменного тока.

Эффект выпрямления в встречно-параллельном диоде можно использовать для создания схемы ограничения. В приведенном ниже примере показан ограничитель с входной синусоидой 20 Гц. Выходной сигнал берется через последовательное расположение диодов и отображается во временной области, как показано на схеме и графике ниже.

Цепь с двойным стабилитроном.

Если у вас есть доступ к пакету SPICE, вы можете использовать стандартные модели диодов для создания графика, подобного показанному выше. Это делается с помощью анализа переходных процессов, который покажет вам изменение переменного тока в цепи во временной области, когда ток управляется переменным напряжением. Это имитирует поведение стабилизатора напряжения на основе стабилитрона, распространяя выпрямление на положительные и отрицательные части формы входного сигнала переменного тока. Затем вы можете подать этот обрезанный сигнал в другую схему, например компаратор, для генерации чистой прямоугольной волны.

После того, как вы разработали схемы с последовательными диодами Зенера, вы можете использовать лучшее программное обеспечение для компоновки печатных плат и проектирования, чтобы зафиксировать свои проекты в качестве исходной компоновки печатной платы. Allegro PCB Designer включает в себя функции, необходимые для компоновки плат для любого приложения. Затем вы можете использовать инструменты анализа Cadence для моделирования и анализа поведения вашей силовой электроники.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

 

Стабилитрон — Специальные устройства

СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Когда диод с PN-переходом смещен в обратном направлении, основные носители (дырки в P-материале и электроны в N-материале) удаляются от перехода.Барьер или область обеднения становится шире, как показано на рисунке ниже, и протекание тока большинства носителей становится очень затрудненным через высокое сопротивление широкой области обеднения. Наличие неосновных носителей вызывает небольшой ток утечки, который остается почти постоянным для всех обратных напряжений до определенного значения. Как только это значение превышено, происходит резкое увеличение обратного тока. Напряжение, при котором происходит резкое увеличение тока, называется ПРОБИВНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ.При пробое обратный ток очень быстро возрастает при незначительном увеличении обратного напряжения. Любой диод может быть смещен в обратном направлении до точки пробоя, но не каждый диод может безопасно рассеять мощность, связанную с пробоем. Диод AZener представляет собой PN-переход, предназначенный для работы в области пробоя обратного смещения.

Влияние смещения на обедненную область PN-перехода.

Существуют две различные теории, используемые для объяснения поведения PN-переходов во время пробоя: одна из них — ЭФФЕКТ ЗЕНЕРА, а другая — ЭФФЕКТ ЛАВИНЫ.

ЭФФЕКТ ЗЕНЕРА был впервые предложен доктором Карлом Зенером в 1934 году. Согласно теории доктора Зенера, электрический пробой в твердых диэлектриках происходит в результате процесса, называемого КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИМ ТУННЕЛИРОВАНИЕМ. Эффект Зенера объясняет пробой ниже 5 вольт; тогда как выше 5 вольт пробой вызван лавинным эффектом. Хотя лавинный эффект в настоящее время считается объяснением пробоя диода, термин «диод Зенера» используется для обозначения обоих типов.

Истинный эффект Зенера в полупроводниках можно описать в терминах энергетических зон; однако интерес представляют только две верхние энергетические полосы.Две верхние зоны, показанные на рисунке ниже, вид А, называются зоной проводимости и валентной зоной.

Энергетическая диаграмма стабилитрона.

ЗОНА ПРОВОДИМОСТИ — это зона, в которой уровень энергии электронов достаточно высок, чтобы электроны могли легко двигаться под действием внешнего поля. Поскольку протекание тока представляет собой движение электронов, легко подвижные электроны в зоне проводимости способны поддерживать протекание тока при приложении внешнего поля в виде напряжения.Поэтому твердые материалы, имеющие много электронов в зоне проводимости, называются проводниками.

ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА — это полоса, в которой уровень энергии совпадает с уровнем валентных электронов атомов. Поскольку электроны на этих уровнях связаны с атомами, электроны не могут свободно перемещаться, как электроны зоны проводимости. Однако при надлежащем добавлении энергии электроны в валентной зоне могут подняться до энергетического уровня зоны проводимости. Для этого электроны должны пересечь щель, которая существует между энергетическим уровнем валентной зоны и энергетическим уровнем зоны проводимости.Этот разрыв известен как ЗАПРЕЩЕННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПОЛОСА или ЗАПРЕЩЕННАЯ ПРОБЕЛА. Разница энергий в этом зазоре определяет, будет ли твердый материал действовать как проводник, полупроводник или изолятор.

Проводник — это материал, в котором запрещенная зона настолько узка, что ее можно считать несуществующей. Полупроводник представляет собой твердое тело, которое содержит запрещенную зону, как показано на рисунке выше, вид А. Обычно полупроводник не имеет электронов на энергетическом уровне зоны проводимости. Однако энергии, обеспечиваемой теплом при комнатной температуре, достаточно, чтобы преодолеть силу связи нескольких валентных электронов и поднять их до энергетического уровня зоны проводимости.Добавление примесей в полупроводниковый материал увеличивает как количество свободных электронов в зоне проводимости, так и количество электронов в валентной зоне, которые могут быть переведены в зону проводимости. Изоляторы — это материалы, в которых запрещенная щель настолько велика, что практически ни один электрон не может получить достаточную энергию, чтобы пересечь щель. Следовательно, если не будет доступно чрезвычайно большое количество тепловой энергии, эти материалы не будут проводить электричество.

Вид B на рисунке выше представляет собой энергетическую диаграмму стабилитрона с обратным смещением.Энергетические зоны материалов P и N, естественно, находятся на разных уровнях, но обратное смещение приводит к тому, что валентная зона материала P перекрывает энергетический уровень зоны проводимости материала N. При этом условии валентные электроны материала P могут пересекать чрезвычайно тонкую область перехода в точке перекрытия, не приобретая никакой дополнительной энергии. Это действие называется туннелированием. Когда достигается точка пробоя PN-перехода, большое количество неосновных носителей «туннелирует» через переход, образуя ток, который возникает при пробое.Явление туннелирования имеет место только в сильно легированных диодах, таких как диоды Зенера.

Вторая теория эффекта обратного пробоя в диодах известна как лавинный пробой и возникает при обратном напряжении выше 5 вольт. Этот тип пробивного диода имеет область обеднения, которая намеренно сделана уже, чем область обеднения в обычном диоде с PN-переходом, но толще, чем в диоде с эффектом Зенера. Более толстая область обеднения достигается за счет снижения уровня легирования по сравнению с уровнем, используемым в диодах с эффектом Зенера.Пробой происходит при более высоком напряжении из-за более высокого удельного сопротивления материала. Контроль уровня легирования материала во время производственного процесса может привести к возникновению напряжения пробоя в диапазоне от 2 до 200 вольт.

Механизм лавинного срыва отличается от механизма Зенера. В обедненной области PN-перехода тепловая энергия ответственна за образование электронно-дырочных пар. Ток утечки обусловлен движением неосновных электронов, которые ускоряются в электрическом поле через область барьера.По мере увеличения обратного напряжения на обедненной области обратное напряжение в конечном итоге достигает критического значения. Как только критическое напряжение или напряжение пробоя достигнуто, термически освобожденные неосновные электроны приобретают достаточную энергию, чтобы позволить электронам разорвать ковалентные связи при столкновении с атомами решетки. Высвобожденные электроны также ускоряются электрическим полем, что приводит к высвобождению дополнительных электронов и т. д. по цепочке или лавинному эффекту. Этот процесс проиллюстрирован на рисунке ниже.

Лавинное умножение.

При обратном напряжении, немного превышающем пробой, лавинный эффект высвобождает почти неограниченное количество носителей, так что диод по сути становится короткозамкнутым. Протекание тока в этой области ограничивается только внешним последовательным токоограничивающим резистором.

Эксплуатация диода в области пробоя не повреждает его, пока не превышена максимальная мощность рассеивания диода. Удаление обратного напряжения позволяет всем носителям вернуться к своим нормальным значениям энергии и скорости.

Некоторые символы, используемые для обозначения стабилитронов, показаны на видах с А по Е на рисунке ниже. Обратите внимание, что маркировка полярности указывает на то, что поток электронов направлен со стрелкой, а не против нее, как в обычном диоде с PN-переходом. Это связано с тем, что пробивные диоды работают в режиме обратного смещения, что означает, что ток течет неосновными носителями тока.

Схематические обозначения стабилитронов.

Стабилитроны различных типов используются для многих целей, но наиболее широко они используются в качестве регуляторов напряжения.Как только достигается напряжение пробоя стабилитрона, напряжение на диоде остается почти постоянным независимо от напряжения питания. Поэтому они поддерживают напряжение на нагрузке на постоянном уровне. Эта характеристика делает стабилитроны идеальными регуляторами напряжения, и в этом качестве они встречаются практически во всех твердотельных схемах.

Учебный курс Фрэнка

Стабилитроны

Стабилитроны проводят ток не только в прямом, но и в обратном направлении, когда приложенное напряжение больше. затем напряжение стабилитрона.
Этот эффект используется для стабилизации напряжения. Стабилитроны являются частью блока питания.

Различные стабилитроны. Напряжение стабилитрона всегда напечатано на корпусе, но его часто трудно прочитать.

Стабилитрон используется в режиме обратного смещения с последовательным резистором. Резистор всегда нужен для ограничения электрический ток. Падение напряжения на стабилитроне стабильно в пределах диода и соответствует спецификации диода.Диоды от 2,4 В до 100 В существуют. Наиболее распространены для напряжения от 2,7 В до 15 В. Номинальная мощность стабилитрона диодов от 500 мВт до 2 Вт.

Для стабилитронов существует множество различных символов.
Приложения
Для стабилизации напряжения используется так называемый эффект Зенера. Поэтому стабилитрон используется в обратном смещении. и последовательно с резистором. Когда напряжение становится выше, чем напряжение стабилитрона, диод закорачивает и стабилизируется при этом конкретном напряжении стабилитрона.Чрезмерное падение напряжения на резисторе.

Напряжение на стабилитроне стабильное. Обратите внимание, что стабилитроны всегда работают при обратном смещении.
Типы ZD и ZPD
Европейские типы ZD или ZPD легко идентифицировать. ZPD12 означает напряжение стабилитрона 12 В.
1N-типы
Напряжение стабилитрона американских 1N-типов не узнать по типу.
Вот список некоторых распространенных типов:
0.5 Вт — Тип Напряжение
1N5226 3,3 В
1N5228 3,9 В
1N5231 5,1 В
1N5239 9,1 В
1N5242 12В
1N5245 15В
1N5248 18В
1N5252 24В

1 Вт — Тип Напряжение
1Н4728 3.3В
1N4730 3,9 В
1N4733 5,1 В
1N4739 9,1 В
1N4742 12В
1N4744 15В
1N4745 18В
1N4749 24В
Тестирование
Стабилитроны можно проверить как обычные диоды с помощью мультиметра с диодным диапазоном.Функция Зенера не может проверить мультиметром.

Для проверки функции стабилитрона или для выяснения напряжения стабилитрона неизвестного стабилитрона испытательная установка с мощностью питание и последовательный резистор должен быть построен.

Всегда целесообразно проверять работу стабилитрона, когда электронная плата находится под напряжением. С минусом вывод вольтметра на землю плюсовой вывод подсоединен к катоду. Измеряемое напряжение должно быть стабилитроном Напряжение.

Поиск и устранение неисправностей
Дефекты стабилитронов встречаются не очень часто.Нестабильный блок питания обычно имеет другой дефект. Вероятно, последовательный транзистор создает проблемы.

Когда стабилитрон неисправен и этот диод недоступен, стабилитроны меньшего размера можно включить последовательно, чтобы получить нужное напряжение.

Стабилитроны
можно использовать в последовательном соединении.
Цены
Стабилитроны дешевы и стандартная цена в Европе составляет около 0,05 €
Ссылки и источники
Википедия: Стабилитрон

250 мВт 3.Регулятор напряжения на стабилитроне 3 В ±5%

Эта серия стабилитронов предлагается в удобном пластиковом корпусе SOT-23 для поверхностного монтажа. Эти устройства предназначены для обеспечения регулирования напряжения при минимальном занимаемом пространстве. Они хорошо подходят для таких приложений, как сотовые телефоны, портативные портативные устройства и печатные платы высокой плотности.

Особенности
 
  • 250 мВт Номинальная мощность на плате FR-4 или FR-5
  • Диапазон напряжения пробоя стабилитрона — 2.от 4 В до 75 В
  • Пакет предназначен для оптимальной автоматизированной сборки платы
  • Малый размер корпуса для приложений с высокой плотностью размещения
  • Класс защиты от электростатического разряда 3 (>16 кВ) для модели человеческого тела
  • Механические характеристики:
  • КОРПУС: Без пустот, отлитый из термореактивного пластика
  • ПОКРЫТИЕ: Коррозионностойкое покрытие, легко поддающееся пайке
  • МАКСИМАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА КОРПУСА ДЛЯ ПАЯКИ: 260°C в течение 10 секунд
  • ПОЛЯРНОСТЬ: Катод обозначен полосой полярности
  • ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ: UL94 V-0
  • Доступны серии с жесткими допусками (см. стр. 4)
  • Доступны пакеты без свинца
  • Соответствует требованиям AEC-Q101 и поддерживает PPAP
  • Префикс SZ для автомобильных и других приложений, требующих уникального места и требований к изменению управления

Регулятор напряжения на стабилитроне | Объяснение и способ сборки – Wira Electrical

Регулятор напряжения на стабилитроне представляет собой электрическую схему, которая поддерживает постоянное выходное напряжение постоянного тока с помощью стабилитрона.Идеальный регулятор будет обеспечивать постоянное напряжение независимо от входных колебаний или изменений тока нагрузки.

Зенеровский диод является популярным среди типов диодов.

Что такое стабилитрон

Стабилитрон — это тип диода, который специально разработан для работы в условиях обратного смещения. Они имеют более узкую область обеднения, чем обычные диоды, потому что они более легированы.

Когда напряжение на обычном диоде превышает обратное напряжение пробоя, диод пробивается, но стабилитроны работают только в этом диапазоне.При снятии обратного напряжения с стабилитрона зона обеднения возвращается в исходное состояние.

Благодаря этой функции стабилитроны полезны в качестве регуляторов напряжения. Давайте посмотрим, как это работает.

Прежде чем мы сможем понять, как работает стабилизатор напряжения на стабилитроне, мы должны сначала понять, как он работает.

Когда на стабилитрон подается обратное напряжение, через цепь протекает очень небольшой ток. Пробой стабилитрона происходит, когда приложено напряжение, превышающее напряжение пробоя стабилитрона.

Что такое пробой Зенера

Принцип пробой Зенера определяет работу диодов Зенера. Высокое напряжение может позволить электронам туннелировать через зону истощения на другую сторону перехода, когда PN-переход сужен.

Поскольку электрон демонстрирует корпускулярно-волновой дуализм, туннелирование является квантово-механическим явлением. В квантовой механике электроны рассматриваются как волновые функции, а не как основные «частицы».

Они рассредоточены по всему пространству, с вероятностью встречи в определенном месте.Из-за этого вероятностного характера, если барьер (такой как обедненная область) сделать достаточно маленьким, электрон имеет шанс туннелировать через него на противоположную сторону.

Пробой стабилитрона происходит, когда через диод проходит большой ток, а напряжение падает незначительно. При дальнейшем увеличении обратного напряжения напряжение на диоде остается постоянным на уровне напряжения пробоя Зенера, но ток через него продолжает расти, как показано на графике выше.

Напряжение пробоя Зенера обозначено на графике как Vz. В зависимости от приложения напряжение пробоя стабилитрона может варьироваться от 1,2 В до 200 В.

Интересная часть этого диода заключается в том, что мы можем использовать его в качестве регулятора напряжения в нашей схеме, выбрав стабилитрон с достаточным пробойным сопротивлением. Напряжение.

Например, давайте представим, что мы хотим, чтобы напряжение на нагрузке в нашей цепи было меньше 12 вольт. Тогда мы можем подключить стабилитрон через нагрузку с напряжением пробоя 12 вольт.

Напряжение на нагрузке никогда не превысит 12 вольт, даже если входное напряжение превысит эту цифру.

Давайте посмотрим на принципиальную схему, чтобы понять, о чем мы говорим.

В этом примере стабилитрон подключен параллельно нагрузке RL. Напряжение на нагрузке должно быть регулируемым и не должно превышать Vз.

Мы выбираем стабилитрон с напряжением пробоя Зенера, близким к требуемому напряжению на нагрузке, исходя из наших потребностей. Зенеровский диод включен в режиме обратного смещения.

Через диод протекает значительный ток, когда напряжение на нем превышает напряжение пробоя Зенера. Падение напряжения на нагрузке равно напряжению пробоя Зенера, так как нагрузка подключена параллельно диоду.

Зенеровский диод обеспечивает путь прохождения тока, защищая нагрузку от чрезмерных токов. В результате стабилитрон выполняет две функции: действует как регулятор напряжения и защищает нагрузку от чрезмерного тока.

См. также : основное подключение электропроводки в жилых помещениях

Что такое стабилизатор напряжения на стабилитроне

Стабилитрон используется в стабилизаторе на стабилитроне для создания постоянного выходного напряжения.Это просто и недорого, что делает его идеальным для различных приложений и для обучения людей работе с регуляторами напряжения.

Стабилитроны представляют собой уникальную форму полупроводниковых диодов. Они состоят из легированного P-N перехода, как и обычные диоды.

При прямом смещении все диоды пропускают ток. Диоды Зенера, в отличие от других диодов, предназначены для того, чтобы пропускать ток, даже когда они смещены отрицательно.

При обратном смещении стабилитроны имеют напряжение Зенера VZ, что делает их превосходными для использования в качестве источника опорного напряжения или регулятора.Даже если ток колеблется, напряжение Зенера VZ остается в основном постоянным.

Это демонстрирует вольтамперная характеристика стабилитрона.

Фактическое значение VZ определяется используемыми полупроводниковыми материалами и конструкцией диода. Доступны сотни стабилитронов с различными значениями VZ.

Это означает, что вы можете выбрать стабилитрон в зависимости от необходимого выходного напряжения при создании стабилитрона.

Как собрать регулятор напряжения на стабилитроне

Стабилитрон — это особенно полезный регулятор напряжения.Он может работать как регулятор напряжения, подключив его соответствующим образом в цепь, регулируя количество напряжения, которое он подает на устройство.

Чтобы использовать стабилитрон в цепи для управления напряжением, он должен быть смещен в обратном направлении и подключен параллельно источнику питания, который обеспечивает напряжение стабилитрона, при этом источник питания должен быть подключен к резистору. В этом проекте будет использоваться резистор 1 кОм.

Как работает схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

Приведенная ниже схема идеально подходит для создания стабилизатора напряжения на стабилитроне.Питание 12 В отключается при прохождении через резистор 1 кОм и стабилитрон. Рассматриваемый стабилитрон имеет напряжение пробоя 5,1 вольта.

Это приводит к падению напряжения 5,1 В на стабилитроне, а оставшиеся 6,9 В падают на резистор 1 кОм. На стабилитроне будет поддерживаться постоянное постоянное напряжение 5,1 В.

Нагрузка, которую питает стабилитрон, подключается параллельно ему. Это связано с тем, что параллельное напряжение равно.Итак, если стабилитрон подключен параллельно, напряжение, которое он излучает на устройство, будет 5,1 В.

Так работает стабилитрон с точки зрения регулирования напряжения.

Поэкспериментируйте с альтернативными настройками, если у вас нет точных значений, указанных выше, таких как напряжение постоянного тока или точный стабилитрон.

Все, что вам нужно, это напряжение, превышающее напряжение пробоя стабилитрона, а также резистор для отвода избыточного напряжения от стабилитрона, для чего и предназначен резистор 1 кОм.

Схема регулятора напряжения на стабилитроне и формула

Регулятор напряжения на стабилитроне состоит из последовательного соединения стабилитрона с резистором, при этом стабилитрон находится в режиме обратного смещения. Диод Зенера заменяет второй резистор, что делает его эквивалентным делителю напряжения.

Выходное напряжение снимается с стабилитрона, Vout = VZ:

Обычно этот выход подключен к нагрузке, как показано нагрузочным резистором RL:

VZ стабилитрона не будет сильно изменение тока, в отличие от резистора в делителе напряжения, поэтому Vout должно оставаться постоянным.

Регуляторы Зенера полагаются на напряжение Зенера диода, которое основано на квантово-механическом принципе туннелирования. Напряжение на диоде можно рассматривать как эквивалентное напряжению Зенера VZ в целом.

Суммарное напряжение нагрузки равно VZ, так как напряжение нагрузки приложено к стабилитрону.

Оставшееся напряжение должно быть уменьшено на резисторе R1. Другими словами,

   

Мы можем переписать это, используя закон Ома, как:

   

Полный ток в цепи равен току через стабилитрон плюс ток через нагрузку, и он рассчитывается как следующим образом:

   

Хотя весь ток должен проходить через R1, стабилитрон и нагрузка увидят только его часть.

Мы видим, что сопротивление нагрузки может существенно влиять на динамику цепи, поскольку ток нагрузки также зависит от сопротивления нагрузки.

Как собрать схему стабилизатора напряжения на стабилитроне

Давайте воспользуемся той же схемой, что и выше, чтобы полностью понять, как собрать схему стабилизатора напряжения на стабилитроне.

При проектировании и сборке схемы регулятора напряжения на стабилитроне необходимо выполнить несколько шагов:

Расчет номинальной мощности

Максимальная номинальная мощность стабилитрона определяет максимальное количество электроэнергии, которое он может безопасно рассеять. .

Поскольку напряжение Зенера VZ в основном постоянное, номинальная мощность в основном определяет максимальный ток, который может выдержать диод: Напряжения Зенера доступны в широком диапазоне диодов. Метод начинается с подбора диода с напряжением Зенера (ВЗ), соответствующим выходному напряжению, которое будет давать регулятор.

Также следует учитывать мощность и ток; разные стабилитроны с одинаковым VZ могут быть построены для разных приложений.Лист данных для диода обычно информирует вас о предполагаемых применениях диода, а также о технической информации.

Чтобы выбрать резистор, вам необходимо знать две характеристики:

(1) Ток пробоя диода, часто называемый током колена или минимальным током (Imin).

(2) Номинальная мощность диода, т. е. максимальная мощность, при которой он может безопасно работать. Максимальный ток можно рассчитать, используя номинальную мощность и напряжение Зенера VZ:

   

Выберите резистор

Два найденных параметра можно использовать для расчета номинала резистора, необходимого для замыкания цепи.

Рассчитать минимальное сопротивление

Используя наибольший ток и подставив его в закон Ома, можно найти минимальное значение сопротивления (Rmin):

   

Рассчитать максимальное сопротивление введя его в закон Ома, вы можете найти максимальное значение сопротивления (Rmax):

   

Рассчитать идеальное значение сопротивления с нагрузкой

Мы можем использовать сопротивление нагрузки, чтобы получить оптимальный резистор, теперь, когда мы знаем минимальное и максимальные значения резисторов, необходимые для правильного использования выбранного стабилитрона.

Закон тока Кирхгофа (KCL) гласит, что ток, выходящий из любого соединения, должен совпадать с током, входящим в соединение. Ток, протекающий через резистор (IR), должен быть равен току, протекающему через стабилитрон, плюс ток, протекающий через нагрузку, в этом случае:

Максимальный ток нагрузки:

   

Минимальный ток нагрузки:

   

Регулятор напряжения стабилитрона как источник питания выпрямительный фильтр и стабилизатор напряжения, в источниках питания часто используются стабилитроны.

Синусоидальный сигнал переменного тока преобразуется выпрямителем в импульсный сигнал постоянного тока.

Фильтр выпрямителя сглаживает импульсный сигнал постоянного тока, в результате чего формируется треугольная/пилообразная форма волны без пульсаций.

Если цепь отключена от источника питания, то стабилизирующий резистор рассеивает заряд, накопленный в конденсаторах фильтра.

Наконец, стабилитрон создает постоянное напряжение, поглощая колебания напряжения и тока.

Часто задаваемые вопросы

Какой коэффициент необходим для регулирования напряжения, чтобы диод оставался в зоне пробоя?

Чтобы диод оставался в зоне пробоя, необходим минимальный обратный ток для регулирования напряжения.

Как установить область пробоя при изготовлении диода?

Область пробоя можно задать при производстве диода путем изменения уровня легирования.

Что такое пробой Зенера?

Пробой стабилитрона происходит, когда выпрямитель и стабилитрон выходят из строя одновременно.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.