Стабилитрон на 9 вольт: 1N4739A, Стабилитрон 9.1В, 5%, 1Вт, [DO-41]

Содержание

Стабилитрон. Его назначение, параметры и обозначение на схеме.

Его назначение, параметры и обозначение на схеме

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.

Д814Б 2С147А
  • V стаб. мин. – 8 вольт.

  • V стаб. ном. – 9 вольт.

  • V стаб. макс. – 9,5 вольт.

  • I стаб. – 3 – 35 мA.

  • P макс. – 340 мВт.

  • V стаб. мин. – 4,2 вольта.

  • V стаб. ном. – 4,7 вольт.

  • V стаб. макс. – 5,1 вольт.

  • I стаб. – 3 – 60 мА.

  • P макс. – 300 мВт.

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.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Стабилитроны напряжением 2,2В до 24В SMD корпуса BZT52 BZX84 Маркировка Характеристики Цены

Стабилитроны в SOD323, серия BZT52

Маркировка стабилитрона Код маркировки стабилитрона Uст при 5мА min Uст при 5мА nom Uст при 5мА max Max R диф. Uст в диапазоне -60 … +125°С Склад Заказ
BZT52-C2V4S W1 2,28B 2,4B 2,52B 85 Oм -0,075%
BZT52-C3V3S W4 3,1B 3,3B
3,5B
95 Oм -0,055%
BZT52-C3V9S W6 3,7B 3,9B 4,1B 95 Oм -0,050%
BZT52-C4V3S W7 4,0В 4,3В 4,6В 95 Ом -0,035%
BZT52-C4V7S W8 4,4В 4,7В 5,0В 78 Ом -0,015%
BZT52-C5V1S W9 4,8B 5,1B 5,4B 60 Ом -0,005%
BZT52-C5V6S WA 5,2B 5,6B 6,0B 40 Ом 0,020%
BZT52-C6V2S WB 5,8B 6,2B 6,6B 10 Ом 0,030%
BZT52-C6V8S WC 6,4B 6,8B 7,2B 8 Ом 0,045%
BZT52-C7V5S WD 7,0B 7,5B 7,9B 7 Ом 0,05%
BZT52-С8V2S WE 7,7B 8,2B 8,7B 7 Ом 0,055%
BZT52-С10S WG 9,4B 10B 10,6B 15 Ом 0,070%
BZT52-С12S WI 11,4B 12B 12,7B 20 Ом 0,080%
BZT52-С15S WL 13,8B 15B 15,6B 30 Ом 0,090%
BZT52-С24S WR 22,8B 24B 25,6B 80 Ом 0,090%
Купить
Упаковка: В блистр-ленте на катушке диаметром 180 мм по 5000 стабилитронов BZT52.

Стабилитроны в SOT23, серия BZX84

Маркировка стабилитрона Код маркировки стабилитрона Uст при 5мА min Uст при 5мА nom Uст при 5мА max Max R диф. Uст в диапазоне -60 … +125°С Склад Заказ
BZX84C2V7 WT4 2,4B 2,7B 3,1B 85 Oм -0,06%
BZX84C3V0 WT9 2,8B 3,0B 3,2B 85 Oм -0,06%
BZX84C3V3 WB1 3,1В 3,3В 3,5В 85 Ом -0,06%
BZX84C3V9 WB3 3,7В 3,9В 4,1В 85 Ом -0,06%
BZX84C4V3 WB6 4,1B 4,3B 4,5B 80 Ом -0,03%
BZX84C4V7 Z1W 4,4В 4,7В 5,0В 80 Ом -0,03%
BZX84C5V1 Z2W 4,9B 5,1B 5,3B 60 Ом 0,03%
BZX84C5V6 Z3W 5,2В 5,6В 6,0В 40 Ом 0,03%
BZX84C6V2 Z4W 5,8В 6,2В 6,6В 10 Ом 0,05%
BZX84C6V8 Z5W 6,4В 6,8В 7,2В 15 Ом 0,05%
BZX84C7V5 Z6W 7,1В 7,5В 7,9В 15 Ом 0,05%
BZX84C8V2 Z7W 7,7В 8,2В 8,7В 15 Ом 0,06%
BZX84C9V1 Z8W 8,8В 9,1В 9,5В 20 Ом 0,05%
BZX84C10 Z9W 9,4В 10,0В 10,6В 20 Ом 0,07%
BZX84C12 Y2W 11,4В 12,0В 12,7В 25 Ом 0,07%
BZX84C15 Y4W 13,8В 15,0В 15,6В 30 Ом 0,08%
BZX84C18 Y6W 16,8В 18,0В 19,1В 45 Ом 0,08%
BZX84C20 Y7W 17,8В 20,0В 21,0В 45 Ом 0,08%
Купить
Упаковка: В блистр-ленте на катушке диаметром 180 мм по 3000 стабилитронов BZX84.

Стабилитрон в SOT223, серия BZV90

Упаковка: В блистр-ленте на катушке диаметром 330 мм по 2500 стабилитронов BZV90.

Характеристики стабилитронов серии BZT52

  • Рассеиваемая мощность стабилитрона…………………………0,20 Вт
  • Корпус стабилитрона…………………………………………………….SOD323
  • Точность номинального напряжения стабилизации………..5%

Производитель — PANJIT

Характеристики стабилитронов серии BZX84

  • Рассеиваемая мощность стабилитрона…………………………0,25 Вт
  • Корпус стабилитрона…………………………………………………….SOT23
  • Точность номинального напряжения стабилизации…………5%

Производитель — NXP

Характеристики стабилитронов серии BZV90

  • Рассеиваемая мощность стабилитрона. ……………………….1,50 Вт
  • Корпус стабилитрона…………………………………………………….SOT223
  • Точность номинального напряжения стабилизации………..5%

Производитель — NXP

Технические характеристики и маркировка cтабилитронов BZV90

Технические характеристики и маркировка cтабилитронов BZT52

Технические характеристики и маркировка cтабилитронов BZX84

Полупроводниковые стабилитроны работают на обратном участке Вольт Амперной характеристики, где имеется сильная зависимость тока от напряжения. Это свойство позволяет использовать диоды Зенера, как часто называют импортные полупроводниковые стабилитроны, в качестве источников опорного напряжения. Стабилитроны, представленные на этой страницы, имеют малую рассеиваемую корпусом мощность, как и прочие маломощные диоды и диодные сборки в аналогичных корпусах. Особый тип стабилитронов, диоды, предназначенные для подавления импульсных помех – ограничительные диоды изготовлены в пластиковых корпусах средней мощности SMA и SMC. В этих корпусах изготавливаются полупроводниковые диоды средней мощности на ток от 1 Ампера, диоды Шоттки, высоковольтные выпрямительные диоды и импульсные диоды.

Корзина

Корзина пуста

Стабилизированный блок питания на 9 вольт

Блок питания нужен всем. Музыканту-металлисту надо чем-то питать свои «примочки» к электрогитаре, радиолюбителю — приемники или всякие поделки на светодиодах-транзисторах, простому люду — антенные усилители к телевизору и так далее. Но купить готовое устройство не всегда получается — хотя бы даже из-за цены. Тем более нет на это желания, когда точно знаешь, что без дела валяется исправный понижающий трансформатор. Вот его-то мы и приспособим давать чистые девять вольт.

С дополнениями и изменениями от 09. 11.15

Блок питания собран уже бессчетное количество раз. При правильном монтаже и исправных компонентах запускается всегда. Допускаются отклонения в номиналах элементов.

Даташит на всю L78-ю серию стабилизаторов.

«Сердцем» блока питания (далее — БП) является понижающий трансформатор, без него нет смысла городить огород. Называется он так оттого, что понижает переменное розеточное напряжение 220 вольт в переменное же другого напряжения. Например, до 36, или 12, или даже 5. Но для наших целей необходим трансформатор, у которого на вторичной, выходной обмотке (не сетевой, та — входная и первичная) будет 12-15 вольт «переменки». Можно и немного больше, до 20, но нецелесообразно. Хорошо подходят трансформаторы из отслуживших свое магнитофонов, радиоприемников, других блоков питания, в особенности, если ранее устройство как раз и жило под напряжением девять вольт. В иллюстрациях к этой статье, например, я использовал полусгоревший трансформатор от роутерного БП. От скачка напряжения в нем сработал термопредохранитель, и напряжение на выходе исчезло (в современные трансформаторы встраивают такие одноразовые предохранители, которые разрывают цепь в случае перегрева. А перегрев может наступить либо тогда, когда через предохранитель «первички» течет большой ток (надолго повысилось напряжение в сети или трансформатору дали неподъемную нагрузку), либо когда перегревается сам трансформатор (его перегрузили или в корпусе БП очень-очень жарко). Предохранитель скрыт в начале первичной обмотки, и можно было его заменить аналогичным, но я просто бросил перемычку в обход. А для безопасности можно добавить обычную плавкую вставку 0,2 — 0,5 А).

Еще одна важная характеристика трансформатора — выдаваемый им ток. Тут уже надо примерно знать, сколько будет потреблять устройство, которому мы делаем БП. Для небольших светодиодных поделок хватит и 100 мА (а это пять светодиодов, подсоединенных параллельно друг к другу, причем установлены максимальные для них 20 мА), радиоприемники тоже много не едят (до 250 мА), простейшая гитарная «примочка»-дисторшн, питаемая от «Кроны», нуждается в 10-20 мА. Уже по внешнему виду трансформатора можно примерно судить, на какой ток он рассчитан. Главное — не перегружать его, а если нужно питать что-то прожорливое (ток более 1 А), то и блок питания должен быть соответствующий. Симптомы перегрузки, когда трансформатор, что называется, «не вывозит» — падает напряжение, греется магнитопровод и обмотки, появляется гудение, и, наконец, дым. А электроника вся на дыме работает. И как только он из нее выходит — она и перестает…

Далее нужен выпрямитель. Его задача — преобразование переменного тока в постоянный. Все описанные ранее устройства питаются постоянным током. Я использую готовый диодный мост, но можно заменить его четырьмя одинаковыми диодами с адекватным запасом тока (1N4004 хватит с головой). Подключив диодный мост ко «вторичке» трансформатора, можно увидеть, что ее 12 переменных вольт превращаются в 11 или даже 10,8 постоянных. Так и должно быть. Это диоды открываются при напряжении 0,6 вольта, а в диодном мосту одновременно работают два диода из четырех. Вот и пропадает по 1,2 вольта на каждом полупериоде колебаний.

И теперь, собственно, та часть, из-за которой блок носит гордое название «стабилизированный», то есть имеющий постоянное напряжение на своем выходе вне зависимости от того, что у него на входе (в разумных пределах, конечно). Стабилизатор. Я использую трехногую микросхему 7809, где 78 указывает на стабилизацию положительной полярности напряжения, а 09 — число стабилизированных вольт (нетрудно догадаться, что если нужно питать какое-то пятивольтовое устройство, то в магазине надо спрашивать 7805, а трансформатор можно взять с чуть меньшим напряжением на «вторичке»). Три ноги у нее не случайно — на одну приходит нестабилизированное входное напряжение, другая присоединяется к общей шине («минусу»), а с третьей снимается стабилизированное постоянное напряжение. Для нормальной работы микросхем этой серии необходимо, чтобы входное напряжение было хотя бы на 2 вольта выше выходного. То есть 9+2=11 В. Столько же и остается после диодного моста, мы отлично сюда попадаем.


Глядя на график выпрямленного диодным мостом напряжения, язык не повернется назвать его постоянным. Оно пульсирует. Для сглаживания этих «горбов» нужны конденсаторы. В принципе, вполне хватит двух электролитических, но по правилам хорошего тона, чтобы продлить им жизнь, хорошо бы еще вставить и два керамических на 100-200 нФ. Электролитические я использую на 470-1000 мкФ, 25 вольт по входу и 16 вольт по выходу. Почему так, в чем разница? Отвечаю. Если к диодному мосту поцепить электролитический конденсатор, то на его ножках образуется напряжение, в 1,41 раза большее, чем на мосту. 11*1,41=15,51 В. Ставить конденсатор на максимальных 16 вольт, честно говоря, с таким «запасом» немного неправильно. Если на «первичку» попадет не 220, а 240 вольт, то и на «вторичке» уже будет явно не 11. И репу шестнадцативольтового конденсатора может разорвать. Закидав его ошметками все, что рядом. По этой же причине пробный пуск любого устройства, содержащего электролитические конденсаторы, надо осуществлять так, чтобы они не были направлены в сторону рук, лиц и глаз. Желательно даже накрыть чем-то «шайтан-машину» и нацепить защитные очки. А вот по девятивольтовому выходу конденсатор на 16 вольт — самое оно. Можно, конечно, и стовольтовый поставить, но он: а) дороже, б) больше размерами. Ничто не мешает и не 470 мкФ поставить, а больше. 1000 мкФ, 4700 мкФ, 10000 мкФ, наконец. Чем больше — тем менее будет подвержена влиянию перепадов напряжения цепь. Часто можно наблюдать, что, выдернув из розетки шнур радиоприемника, он еще поет несколько секунд, затихая. Но со временем при таких же махинациях приемник поет все короче и короче. Это конденсаторы стареют, теряют емкость. Можно, конечно, заставить всю комнату спараллеленными конденсаторами на 10000 мкФ, и тогда приемник, пожалуй, сможет автономно проработать целый день после их зарядки, но чем больше емкость конденсатора, тем он: а) дороже, б) больше размерами. Где-то это уже читали? Такая вот корреляция (связь между несколькими величинами).

Теперь — что касается «продления жизни». Как в выпрямленном, так и стабилизированном напряжении могут существовать высокочастотные переменные составляющие. Так, при стандартной частоте пульсаций сети 50 Гц после диодного моста уже будет 100 Гц, а как-то пробравшиеся ВЧ-шки — это килогерцы частоты. Грозовые разряды, искры от щеточно-коллекторного узла электродвигателей, «шумные» блоки питания… Электролитические конденсаторы очень не любят высокочастотные колебания и быстрее деградируют, если подвержены такому влиянию. Их удел — сглаживание медленных пульсаций. Поэтому параллельно каждому электролитическому конденсатору припаивается керамический, который как раз и рассчитан на работу с высокими частотами. Получается очень эффективный тандем.

Еще понадобятся соединительные провода и плата, на которую это все будет монтироваться. Использовать провода из «витой пары» не рекомендую — «дедушкиным» паяльником (с медным жалом, оловом и канифолью) они плохо паяются, да и вообще — очень ломкие. Что касается платы — в любом уважающем себя радиомагазине есть такая штука, как «макетная плата». Это текстолитовое или гетинаксовое основание с контактными площадками, расположенными в строгом порядке. Расставляй элементы, как хочешь, соединяй проводками, перемычками, или просто запаивай неиспользуемые площадки. Профи могут вытравить плату (я думаю, что для такого стабилизатора есть немало вариантов «печаток»), но профи и без моих советов, небось, уже давным-давно собрали такой БП, и не один.
Ладно, слов тысяча, а дел пока нет. Просто хотелось дать чуть-чуть теории.

Приступаем?


Типовая схема БП на 7809. Слева направо, сверху вниз: обычный проволочный предохранитель (нет у меня, равно как и теплового, хотя по-хорошему — надо), сетевой трансформатор, диодный мост, «электролит», «керамика», стабилизатор, «электролит», «керамика». Вариантов этой типовой схемы много, и как ни собери — почти всегда правильно. Кстати, отечественный аналог 7809 — микросхема КР142ЕН8А, в просторечии именуемая просто «кренкой». Нормально работает при напряжениях на входе +11,5…35 В. У нас есть 15,5 В. Выходной ток 7809 — 1-1,5 А (в зависимости от корпуса), лишь бы трансформатор «тащил». Да, если в планах питание устройств с большим током потребления, то надо позаботиться о радиаторе для стабилизатора (приемники с их максимальными 250 мА микросхему не нагревают, можно обойтись без него).


Необходимое оборудование. Пинцет-самозахват (не понадобился), отсос припоя (если случайно соединил не те дорожки или еще как накосорезил), проволочный припой, изолента отвратительного качества (лучше не экономить), бокорезы, утконосы (не пригодились), паяльник с «вечным» жалом и железная мочалка для его очистки (обычная кухонная, для сковородок).


Необходимые ресурсы. Плата, трансформатор (сетевой кабель не показан, хотя он нужен — не забудьте!), светодиод с резистором (мимопроходили), диодный мост, 7809, два конденсатора, керамический конденсатор; мультиметр с еще одной «керамикой» показывает ее емкость — 125 нФ. Нам подходит. Написано на корпусе, что 150, но кто-то из них явно врет.



К трансформатору подпаиваем сетевой шнур. С «первичкой» надо быть очень осторожным, там — опасное для жизни напряжение. Как только припаяли — замотать это место изолентой от греха подальше.

Кстати, если случилось так, что вы, крутя трансформатор в руках, запутались уже, где какая обмотка, то поможет мультиметр. У понижающего трансформатора «вторичка» имеет очень малое сопротивление, буквально доли ома, а на «первичке» он обычно показывает 300-600 Ом.


Со «вторички» идут 12 вольт «переменки».


Понемногу собираем плату.
Универсального расположения деталей нет, пусть каждый делает так, как ему удобно. Я стараюсь экономить место, ведь платы не очень дешевы. Да и вообще, «керамику» лучше ставить как можно ближе к стабилизатору — так надо для его корректной работы.


У меня, например, три экземпляра такого БП, и все собраны с разным расположением деталей. И ничего, работают.


Обратная сторона.


Можно, конечно, и иначе, расставляя элементы так, как на схеме: диодный мост, «электролит», «керамика», стабилизатор, «электролит», «керамика».
В этот раз у меня вышло так.


По низу идет выходная шина, в середине — общий провод-«минус», иногда для краткости именуемый «землей».


Уже на этом этапе блок полностью готов.
Но мне захотелось покуражиться. Не зря же, пока я разбирал завалы, мне в руки попал светодиод. Вот и пусть светит, развлекает коллектив блока питания.


Светодиод — прибор токовый. Это значит, что он светит, когда через него идет ток. Причем ток этот надо ограничивать (обычно — 20 мА), потому что в противном случае диод попытается сожрать все, что ему дает БП, и, естественно, сгорит. Как тот медведь, что по лесу шел. У нас даже есть такая шутка радиолюбительская. «Шел светодиод по плате, видит — шина девятивольтовая. Сел на нее и сгорел». А для ограничения тока служит резистор. Вы не поверите, но он так и называется — токоограничивающий. Для девяти вольт питания он может составлять 500 Ом, но я поставил 5,6 кОм — уж больно ярко светил.


То же самое.


Финальные замеры.
На конденсаторе перед стабилизатором — расчетных 15 с лишком вольт.


А на выходе — 9,2 вольта. Страшного ничего нет: все 7809, что мне попадались, чуть завышают планку. Даже свежая «Крона», эталон девятивольтовости, будет выдавать больше девяти вольт.


Обрезанные ножки выводных элементов рекомендую сохранить для будущих проектов — на перемычки какие-нибудь.


А вот я вырезал из общей макетной платы все, что надо.
Вырезать можно разными способами, я за неимением подходящего инструмента пользуюсь канцелярским ножом. Но он очень не любит резать платы и быстро тупится.

Вот и все. Не сложно?


А радиоприемник мой очень доволен таким блоком. Сейчас с БП сложилась нелегкая ситуация. Старая радиоаппаратура очень не любит современные импульсные блоки питания. Да, они легкие и компактные, но сильно шумят во всех диапазонах, порой даже станций не слышно, один только писк, визг, треск. А трансформаторные могут только слегка гудеть. Даже включенный компьютер или ноутбук рядом с радиоприемником очень сильно «фонит».

А про свой радиоприемник, надеюсь, я расскажу в следующей статье. Мы будем его ремонтировать, проводить ему профилактику и немного модернизировать, а так же узнаем, что интересного можно послушать в диапазонах, которых больше нет в современных аппаратах.

Дополнение от 25.02.16

Например, к вам в руки попал блок питания от роутера с «переменкой» 9-12 вольт на выходе. Если размеры позволяют, то почему бы не встроить стабилизатор внутрь?


Корпус надо аккуратно расколоть по шву с помощью ножа и ощутимого постукивания по ножу. Электронику можно всю сделать на плате, но я не стал заморачиваться и спаял «навесом», кое-где прихватив термоклеем. Светодиод — по желанию. Обратно половинки склеиваются суперклеем.

Иногда приходится заменять штекер. Наиболее распространены 5,5/2,1 мм (наружный/внутренний диаметр) и 5,5/2,5 мм.

 


По возможности лучше брать те, что справа, с желтым изолятором. Они сделаны не так халтурно.

Дополнение от 05.06.16

Бывают случаи, когда нужно нестандартное напряжение — например, 8,7 вольт.


Применив L7808 и кремниевый диод (Uпр = 0,7 В), на выходе можно получить искомые 8,7 вольт. Включая несколько диодов последовательно, можно еще больше поднять напряжение: для двух кремниевых это будет уже почти плюс 1,4 вольта к тому, на что запрограммирован сам стабилизатор. Диод (или диоды) надо выбирать соразмерно потребляемому нагрузкой току — для мелочи пойдет и КД522 (до 100 мА), а для чего покрупнее — хотя бы и 1N4001 (1 А).

Кремниевый диод добавляет 0,6-0,7 вольт, германиевый — 0,3-0,4 В. Можно с успехом их компоновать, максимальный ток такого самодельного стабилизатора определяется максимальным током самого хилого элемента.

Стабилитрон — Википедия

Стабилитрон в стеклянном корпусе с рассеиваемой мощностью 0,5 Вт
Условные графические обозначения обычных (вверху) и двуханодных (внизу) стабилитронов на принципиальных схемах

Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — 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 oма до сотен oм[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», «супрессоры», «TVS-диоды») применяется 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 полупроводниковые 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[7]. В англоязычной литературе словом stabilitron или stabilotron называют стабилотрон — не получивший широкого распространения тип вакуумной генераторной лампы СВЧ-диапазона[8][9], 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[10]. 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[11] — 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 непрерывном режиме. Это маломощные стабилитроны с необычно низким дифференциальным сопротивлением; в промышленной практике различие между ними и «обычными» стабилитронами стёрлось[12].

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» (аналог AD589) — это бандгап Брокау. На структурной схеме микросхемы TL431 изображён стабилитрон, но в действительности TL431 — это бандгап Видлара[13][14].

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»[15]. Обращённые диоды в различных источниках определяются и как подкласс стабилитронов[16], и как подкласс туннельных диодов[17]. 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[16][18].

Принцип действия

Полупроводниковый стабилитрон — это 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 вследствие тепловой неустойчивости — разрушительного 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[20]. Серийные стабилитроны изготавливаются из кремния, известны также перспективные разработки стабилитронов из карбида кремния и арсенида галлия[21].

Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском университете[22]. Его «Теория электрического пробоя в твёрдых диэлектриках» была опубликована летом 1934 года[23]. В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложенный Зенером туннельный механизм действует только при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при бо́льших напряжениях преобладает лавинный механизм[22]. 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 ≈ 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)[24].
  • 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[25].

Механизм пробоя конкретного образца можно определить грубо — по напряжению стабилизации, и точно — по знаку его температурного коэффициента[26]. 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  до 6 EG» (4,5…6,7 В), авторы словаря «Электроника» — «от 5 до 7 В»[9], Линден Харрисон — «от 3 до 8 В»[27], Ирвинг Готтлиб проводит верхнюю границу по уровню 10 В[10]. Низковольтные лавинные диоды (LVA) на напряжения от 4 до 10 В — исключение из правила: в них действует только лавинный механизм[12].

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[28]. Наихудшая совокупность характеристик — высокий уровень шума, большой разброс напряжений стабилизации, высокое дифференциальное сопротивление — свойственна низковольтным стабилитронам на 3,3—4,7 В[29].

Производство

Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в пластиковом (вверху) и стеклянном (внизу) корпусах[30]

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[31].

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[30]:

  • 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[30].
  • 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[30].

В более дорогом варианте этой технологии используются три этапа термообработки: кристалл спаивается с молибденовыми или вольфрамовыми обоймами при температурах не менее 700 °C, капсулируется в стекло, и только затем припаиваются выводы[32]. Во всех случаях выводы дополнительно облуживаются после корпусирования[30]. Медные выводы предпочтительнее, так как отводят тепло лучше, чем биметаллические[33]. 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[34][35].

Области применения

Защитные стабилитроны в «умном» МДП-транзисторе семейства Intelligent Power Switch компании International Rectifier[36]

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 преобразователей. C середины 1970-х годов и по сей день (2012 год) стабилитроны со скрытой структурой являются наиболее точными и стабильными твердотельными ИОН[37]. Точностные показатели лабораторных эталонов напряжения на специально отобранных интегральных стабилитронах приближаются к показателям нормального элемента Вестона[38].

Особые импульсные лавинные стабилитроны («подавители переходных импульсных помех», «супрессоры», «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[39]. 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[40].

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[41][42]. С развитием интегральных технологий эту функцию взяли на себя устройства на быстродействующих компараторах, а затем цифровые процессоры обработки 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[43][42].
  • 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[44][45].
  • 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[46][47].
  • 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[48], но были быстро вытеснены более совершенными схемами сдвига уровней на транзисторах.
  • Стабилитроны с высоким ТКН использовались как датчики температуры в мостовых измерительных схемах[49]. 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[50].

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[51]. Режим стабилизации возможен в достаточно широкой области токов и напряжений, поэтому в технической документации указываются допустимые минимальные и максимальные значения 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[52]. Минимальные токи низковольтных лавинных диодов измеряются единицами и десятками микроампер[53], минимальные токи «обычных» стабилитронов — единицами миллиампер.

Например, номинальное напряжение советского стабилитрона 2С133В, , 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 °C) установлен на уровне 1 мА, максимальный — зависит от температуры и атмосферного давления. При нормальном атмосферном давлении и температуре, не превышающей +35 °C, ток не должен превышать 37,5 мА, а при температуре +125 °C — 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 °C до +125 °C. При —60 °C разброс напряжений составляет 3,1…3,8 В, при +125 °C — 2,8…3,5 В[54].

Дифференциальное сопротивление

Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов одного семейства (Motorola, 1970-е годы) от напряжения стабилизации и тока стабилизации[55]

Дифференциальное, или динамическое сопротивление стабилитрона равно отношению приращения напряжения стабилизации к приращению тока стабилизации в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации[56]. Оно определяет 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[57]. 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[58].

Для маломощного стабилитрона дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации 1 мА равно 680 Ом, а при номинальном токе в 5 мА и температурах от —60 до +125 °C не превышает 150 Ом [59]. Стабилитроны бо́льшей мощности на то же номинальное напряжение имеют меньшее дифференциальное сопротивление, например,  — 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[60]. Внутри каждого семейства стабилитронов (одной и той же максимальной мощности) наименьшие абсолютные значения дифференциального сопротивления при заданном токе имеют стабилитроны на напряжение 6 В[28].

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[61]. 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 °C до +125 °C 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[62] можно найти точку (значение тока ITK0 и напряжения UTK0), в которой температурный коэффициент близок к нулю. Если стабилизировать ток такого стабилитрона внешним источником тока на уровне, точно равном ITK0, то напряжение на стабилитроне, равное UTK0 практически не зависит 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[63]. Стабилитроны на напряжение менее 4,5 В также имеют точку нулевого ТКН, но она находится за пределами области безопасной работы[62]. Стабилитроны на напряжение свыше 6,5 В имеют положительный (ненулевой) ТКН во всём диапазоне токов[62].

Дрейф и шум

В справочной документации на обычные, не прецизионные, стабилитроны показатели дрейфа и шума обычно не указываются. Для прецизионных стабилитронов это, напротив, важнейшие показатели наравне с начальным разбросом и ТКН[64]. Высокий уровень шума обычных стабилитронов обусловлен высокой концентрацией посторонних примесей 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[65]. 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[66][67].

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[68].

Динамические характеристики

Частота переключения стабилитрона общего назначения обычно не превышает 100 кГц[69]. 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[69].

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[70]

Область безопасной работы стабилитрона ограничена рядом параметров, важнейшими из которых является максимальные значения постоянного тока, импульсного тока, температуры p-n-перехода (+150 °C для корпуса SOT-23, +175 °C для корпуса DO-35, +200 °C для корпуса DO-41[71]) и рассеиваемой мощности. Все эти ограничения должны выполняться одновременно, а несоблюдение хотя бы одного из них ведёт к разрушению стабилитрона[72].

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:

Tj=Ta+PRja{\displaystyle T_{j}=T_{a}+PR_{ja}},

где Rja — тепловое сопротивление между p-n-переходом и окружающей средой (воздухом) для непрерывно рассеиваемой мощности[73]. Типичное значения этого показателя маломощного стабилитрона, например, серии NZX, равно 380 °C/Вт[74]. Мощность, при которой расчётная температура не будет превышать установленного предела в +175 °C[74], ограничена величиной

P(Ta)=(175oC−Ta)Rja{\displaystyle P\left(T_{a}\right)={\frac {\left(175^{o}C-T_{a}\right)}{R_{ja}}}}

Для ожидаемой температуры окружающей среды +50 °C расчётная мощность составляет всего 330 мВт — в полтора раза меньше паспортного максимума мощности в 500 мВт[74].

Характер и причины отказов

Катастрофическое короткое замыкание может быть вызвано не только выходом за пределы области безопасной работы, но и медленной диффузией атомов легирующей примеси в p-n-переходе. В силовых стабилитронах с пружинным креплением 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[22].

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 влажности объясняется негерметичностью корпуса стабилитрона. Дрейф выходного сопротивления, обычно сопровождающийся повышенным уровнем шума, связан с ухудшением электрического контакта между кристаллом и выводами[22].

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[75]. К 2000-м годам дискретные термокомпенсированные стабилитроны были вытеснены интегральными источникам опорного напряжения, обеспечившими лучшие показатели точности и стабильности при меньших токах и напряжениях питания[76].

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[77]. Нормированный ТКН таких приборов может составлять всего лишь 0,0005 %/°C, или 5 ppm/°C[78]. 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[79], или для тока, типичного для данного семейства стабилитронов (7,5 мА для двуханодного 1N822 из стандартной серии 1N821−1N829[80]). Если же диодом термокомпенсированного стабилитрона служит не стабилитрон, а «простой» диод с ненормированным напряжением пробоя, то эксплуатация прибора на прямой ветви вольт-амперной характеристики, как правило, не допускается[81].

Номинальное напряжение стабилизации типичного термокомпенсированного стабилитрона составляет 6,2 или 6,4 В при разбросе в ±5 % (в особых сериях ±2 % или %±1 %)[77]. В зарубежной номенклатуре наиболее распространены три шестивольтовые серии на номинальные токи 0,5 мА (1N4565−1N4569), 1,0 мА (1N4570−1N4574) и 7,5 мА (1N821−1N829)[82]. Номинальные токи этих серий соответствуют току нулевого ТКН; при меньших токах ТКН отрицательный, при бо́льших — положительный. Дифференциальное сопротивление приборов на 7,5 мА составляет 10 или 15 Ом[80], приборов на 0,5 мА — не более 200 Ом[83]. 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»[84]. На принципиальных схемах они обозначаются тем же символом, что и обычные стабилитроны[85].

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[86].

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[37]. Специально отобранные LTZ1000 используются в наиболее точных твердотельных эталонах напряжения компании Fluke, которая декларирует временну́ю нестабильность в 1 ppm/год и ТКН в 0,1 ppm/°C[38][87]. 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[88]), шума (LTZ1000 — 1,2 мкВ пик-пик[88]) и длительного дрейфа (LTZ1000 — 2 мкВ/1000ч[88]). 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»). Его можно рассматривать как делитель напряжения, в котором в качестве нижнего плеча используется стабилитрон. Разница между напряжением питания и напряжением пробоя стабилитрона падает на балластном резисторе, а протекающий через него ток питания разветвляется на ток нагрузки и ток стабилитрона. Стабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи[89].

Расчёт параметрического стабилизатора на полупроводниковых стабилитронах аналогичен расчёту стабилизатора на газонаполненных приборах, с одним существенным отличием: газонаполненным стабилитронам свойственен гистерезис порогового напряжения. При емкостной нагрузке газонаполненный стабилитрон самовозбуждается, поэтому конструкции таких стабилизаторов 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[90]. 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 °C стабилитрон разрушается. Соблюдение паспортной области безопасной работы так же важно для стабилитронов, как и для транзисторов[91].
  • 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 позволит ему выдать и максимальное напряжение, и максимальный ток одновременно[92].

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][93];
  • 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»[94].

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[38].

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 открывался при токе стабилитрона, примерно равном его номинальному току стабилизации. Например, при Iст.ном.=5 мА и =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 транзистор 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[95][96].

Схема составного стабилитрона не предназначена для работы на «прямом токе», но легко преобразуется в двустороннюю («двуханодный стабилитрон») с помощью диодного моста[96].

Базовая схема последовательного стабилизатора

Простейшая схема последовательного стабилизатора и пример её практического воплощения[97]

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[98]. Минимальное падение напряжения на 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[99].

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[99].

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

Типичная схема включения термокомпенсированного стабилитрона с источником тока на маломощном МДП-транзисторе со встроенным каналом[100]

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 схемах с током более 1 мА из-за высокой нестабильности по температуре (+0,336 %/°C)[101].

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,

составляет порядка 100 ppm в месяц[102] — 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[103], во втором она определяется полосой пропускания интегральных усилителей (900 Мгц) и качеством монтажа[104].

Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём[104]. 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[105].

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[34][35].

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[34][35].

Примечания

  1. 1 2 3 4 Зи, 1984, с. 122.
  2. 1 2 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. ↑ ГОСТ 15133—77, 1987, с. 13, определение 91.
  8. Earls, A. R.; Edwards, R. E. Raytheon Company: The First Sixty Years. — Arcadia Publishing, 2005. — P. 84. — 128 p. — ISBN 9780738537474.
  9. 1 2 Колесников, 1991, с. 520.
  10. 1 2 Готтлиб, 2002, с. 331.
  11. ↑ ГОСТ 15133—77, 1987, с. 12, определение 85.
  12. 1 2 Готтлиб, 2002, с. 332.
  13. ↑ Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — 2-е изд.. — Додэка, 1998. — С. 219, 220, 225-228. — ISBN 5878350211.
  14. ↑ Полный анализ схемы TL431 см в Basso, C. The TL431 in Switch-Mode Power Supplies loops: part I // ON Semiconductor. — 2009.
  15. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 394-398.
  16. 1 2 Amos, Stanley et al. Newnes Dictionary of electronics. — 4-th ed.. — Oxford: Newnes / Elsevier, 1999. — С. 22. — 389 с. — ISBN 9780750643313.
  17. ↑ Колесников, 1991, с. 333.
  18. ↑ ГОСТ 15133—77, 1987, с. 11, определение 75.
  19. ↑ Harrison, 2005, p. 372, fig.13.7.
  20. ↑ Зи, 1984, с. 103-104, 122.
  21. Tsuchida, H. ; Nakayama, K. ; Sugawara, Y. 20V-400A SiC Zener Diodes with Excellent Temperature Coefficient // Power Semiconductor Devices and IC’s, 2007 (ISPSD ’07).  — С. 277-280. — ISBN 1424410967. — DOI:10.1109/ISPSD.2007.4294986., Monakhov, E. V., Hornos, T., Svensson, B. SiC Zener Diode for Gate Protection of 4.5 kV SiCGT // Materials Science Forum. — 2010. — Т. Silicon Carbide and Related Materials 2010. — С. 559-562. — DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.679-680.559.
  22. 1 2 3 4 Bazu, Bajenescu, 2011, chapter 5.3.1.4 Z Diodes.
  23. 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:10.1016/b978-0-12-448750-5.50032-3.
  24. ↑ Зи, 1984, с. 105-106.
  25. ↑ Зи, 1984, с. 109-115.
  26. ↑ Зи, 1984, с. 106.
  27. ↑ Harrison, 2005, p. 374.
  28. 1 2 Хоровиц и Хилл, 1986, с. 315-316.
  29. ↑ Пиз, 2001, с. 113. В переводе ошибка: «малое дифференциальное сопротивление» вместо «большого» (в оригинале «poor impedance specs»).
  30. 1 2 3 4 5 TVS/Zener Theory and Design, 2005, p. 10.
  31. ↑ TVS/Zener Theory and Design, 2005, p. 9.
  32. ↑ NASA, 1988, p. 4-65.
  33. ↑ NASA, 1988, p. 4-63.
  34. 1 2 3 Camenzind, 2005, p. 1-28.
  35. 1 2 3 Пиз, 2001, с. 115.
  36. ↑ AUIPS2031R Intelligent power low side switch. International Rectifier (2010). Проверено 22 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.
  37. 1 2 Harrison, 2005, pp. 417-420.
  38. 1 2 3 Авербух, В. Прецизионные источники опорного напряжения // Додэка. — 2000.
  39. ↑ Пиз, 2001, с. 113.
  40. ↑ Подробный (но изрядно устарелый) обзор «умных» транзисторов см. Hayes, A. An introduction to intelligent power. ST Microelectronics (1999). Проверено 22 ноября 2012.
  41. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 238, 239.
  42. 1 2 NASA, 1988, p. 4-58.
  43. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 237, 239.
  44. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 240, 241.
  45. ↑ NASA, 1988, p. 4-59,4-63.
  46. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 239, 240.
  47. ↑ NASA, 1988, p. 4-60.
  48. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 240.
  49. ↑ NASA, 1988, p. 4-61.
  50. ↑ Camenzind, 2005, p. 2-12.
  51. ↑ ГОСТ 25529—82, 1986, с. 11, определения 81 и 82.
  52. ↑ Harrison, 2005, p. 369.
  53. ↑ PLVA2600A series low-voltage avalanche regulator double diodes. NXP Semiconductors. Проверено 22 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.
  54. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292 (данные серий 2С133В, 2С133Г).
  55. ↑ Хоровиц и Хилл, 1986, с. 315, рис. 5.18.
  56. ↑ ГОСТ 25529—82, 1986, с. 12, определение 84.
  57. ↑ Harrison, 2005, pp. 376.
  58. ↑ NASA, 1988, p. 4-56.
  59. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292.
  60. ↑ Low voltage avalanche zener diodes. Knox Semiconductor. Проверено 22 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года., данные серии 1N6083/LVA347
  61. ↑ ГОСТ 25529—82, 1986, с. 12, определение 85.
  62. 1 2 3 NASA, 1988, p. 4-70.
  63. ↑ Harrison, 2005, pp. 374-375.
  64. ↑ Harrison, 2005, pp. 326, 327, 332.
  65. ↑ Harrison, 2005, p. 368.
  66. ↑ Harrison, 2005, p. 434.
  67. ↑ VRE3050: Low Cost Precision Reference. Thaler Corporation (2000-07-01). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.. Данные серии VRE3050J. В 2012 году производится компанией Apex Microtechnology, выделившейся из состава Cirrus Logic и унаследовавшей линейку ИОН Thaler
  68. ↑ NASA, 1988, p. 4-72, 4-73.
  69. 1 2 NASA, 1988, p. 4-71.
  70. ↑ 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.».
  71. ↑ Harrison, 2005, p. 382.
  72. ↑ Harrison, 2005, pp. 376-377.
  73. ↑ Harrison, 2005, pp. 379-380.
  74. 1 2 3 NZX series. Single zener diodes. Product data sheet. NXP Semiconductors. Проверено 22 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.
  75. ↑ Harrison, 2005, pp. 393, 394.
  76. ↑ Harrison, 2005, p. 400.
  77. 1 2 Harrison, 2005, p. 394.
  78. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 357.
  79. ↑ NASA, 1988, p. 4-57.
  80. 1 2 1N821 thru 1N829A-1 DO-7 6.2 & 6. 55 Volt Temperature Compensated Zener Reference Diodes. Microsemi Corporation (2003). Проверено 28 ноября 2012.
  81. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 349.
  82. ↑ Harrison, 2005, pp. 398-399.
  83. ↑ 1N4565 thru 1N4584A-1 DO-7 6.4 Volt Temperature Compensated Zener Reference Diodes. Microsemi Corporation (2003). Проверено 28 ноября 2012.
  84. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 347.
  85. ↑ Действующий ГОСТ 2.730-73 «Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые» не предусматривает особого обозначения для прецизионных составных приборов
  86. Mitchell, L. Understanding and Applying Voltage References // Linear Technology. — 1999. — № Application Note 82.
  87. Fluke Corporation. A practical approach to maintaining DC reference standards // Fluke Corporation. — 2000. — P. 6.
  88. 1 2 3 LTZ1000/LTZ1000A: Ultra Precision Reference. Linear Technology (1987). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.
  89. ↑ ГОСТ 23419—79 «Средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры». — С учётом изменения 1. — Госстандарт СССР, 1985. — С. 2, определение 11. — 4 с.
  90. ↑ Harrison, 2005, p. 378: при отказе стабилитрона, обычно его выводы закорачиваются.
  91. ↑ Harrison, 2005, pp. 376-379.
  92. ↑ Harrison, 2005, p. 378.
  93. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292 (данные серий 2С133В, 2С133Г) или 269 (данные серии Д814) и т.п..
  94. ↑ Мощные полупроводниковые диоды, 1985, с. 126 (справочные данные серии Д815) и т.п..
  95. ↑ Harrison, 2005, pp. 382-386.
  96. 1 2 Пиз, 2001, с. 116, рис. 6.4.
  97. ↑ Harrison, 2005, p. 387, c. 13.15.
  98. ↑ Harrison, 2005, pp. 386-387.
  99. 1 2 Broskie, J. Subject: Virtual Zener // Tube CAD Journal.  — 1999. — № December 1999. — P. 17.
  100. ↑ Harrison, 2005, p. 398, рис. 13.26.
  101. ↑ Harrison, 2005, pp. 397, 398.
  102. ↑ Harrison, 2005, pp. 395, 396.
  103. ↑ Генератор белого шума // Радио. — 1979. — № 9. — С. 58.
  104. 1 2 Building a Low-Cost White-Noise Generator // Maxim Integrated Application Notes. — 2005. — № AN 3469.
  105. 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 устройств. — 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.

1,5 и 3 Вольта, 9В Крона

Доступность и относительно невысокие цены на сверхъяркие светодиоды (LED) позволяют использовать их в различных любительских устройствах. Начинающие радиолюбители, впервые применяющие LED в своих конструкциях, часто задаются вопросом, как подключить светодиод к батарейке? Прочтя этот материал, читатель узнает, как зажечь светодиод практически от любой батарейки, какие схемы подключения LED можно использовать в том или ином случае, как выполнить расчет элементов схемы.

К каким батарейкам можно подключать светодиод?

В принципе, просто зажечь светодиод, можно от любой батарейки. Разработанные радиолюбителями и профессионалами электронные схемы позволяют успешно справиться с этой задачей. Другое дело, сколько времени будет непрерывно работать схема с конкретным светодиодом (светодиодами) и конкретной батарейкой или батарейками.

Для оценки этого времени следует знать, что одной из основных характеристик любых батарей, будь то химический элемент или аккумулятор, является емкость. Емкость батареи – С выражается в ампер-часах. Например, емкость распространенных пальчиковых батареек формата ААА, в зависимости от типа и производителя, может составлять от 0. 5 до 2.5 ампер-часов. В свою очередь светоизлучающие диоды характеризуются рабочим током, который может составлять десятки и сотни миллиампер. Таким образом, приблизительно рассчитать, на сколько хватит батареи, можно по формуле:

T= (C*Uбат)/(Uраб.led*Iраб.led)

В данной формуле в числителе стоит работа, которую может совершить батарея, а в знаменателе мощность, которую потребляет светоизлучающий диод. Формула не учитывает КПД конкретно схемы и того факта, что полностью использовать всю емкость батареи крайне проблематично.

При конструировании приборов с батарейным питанием обычно стараются, чтобы их ток потребления не превышал 10 – 30% емкости батареи. Руководствуясь этим соображением и приведенной выше формулой можно оценить сколько нужно батареек данной емкости для питания того или иного светодиода.

Как подключить от пальчиковой батарейки АА 1,5В

К сожалению, не существует простого способа запитать светодиод от одной пальчиковой батарейки. Дело в том, что рабочее напряжение светоизлучающих диодов обычно превышает 1.5 В. Для сверхьярких светодиодов эта величина лежит в диапазоне 3.2 – 3.4В. Поэтому для питания светодиода от одной батарейки потребуется собрать преобразователь напряжения. Ниже приведена схема простого преобразователя напряжения на двух транзисторах с помощью которого можно питать 1 – 2 сверхъярких LED с рабочим током 20 миллиампер.

Данный преобразователь представляет собой блокинг-генератор, собранный на транзисторе VT2, трансформаторе Т1 и резисторе R1. Блокинг-генератор вырабатывает импульсы напряжения, которые в несколько раз превышают напряжение источника питания. Диод VD1 выпрямляет эти импульсы. Дроссель L1, конденсаторы C2 и С3 являются элементами сглаживающего фильтра.

Транзистор VT1, резистор R2 и стабилитрон VD2 являются элементами стабилизатора напряжения. Когда напряжение на конденсаторе С2 превысит 3.3 В, стабилитрон открывается и на резисторе R2 создается падение напряжения. Одновременно откроется первый транзистор и запирет VT2, блокинг-генератор прекратит работу. Тем самым достигается стабилизация выходного напряжения преобразователя на уровне 3.3 В.

В качестве VD1 лучше использовать диоды Шоттки, которые имеют малое падение напряжения в открытом состоянии.

Трансформатор Т1 можно намотать на кольце из феррита марки 2000НН. Диаметр кольца может быть 7 – 15 мм. В качестве сердечника можно использовать кольца от преобразователей энергосберегающих лампочек, катушек фильтров компьютерных блоков питания и т. д. Обмотки выполняют эмалированным проводом диаметром 0.3 мм по 25 витков каждая.

Данную схему можно безболезненно упростить, исключив элементы стабилизации. В принципе схема может обойтись и без дросселя и одного из конденсаторов С2 или С3 . Упрощенную схему может собрать своими руками даже начинающий радиолюбитель.

Cхема хороша еще тем, что будет непрерывно работать, пока напряжение источника питания не снизится до 0. 8 В.

Как подключить от 3В батарейки

Подключить сверхъяркий светодиод к батарее 3 В можно не используя никаких дополнительных деталей. Так как рабочее напряжение светодиода несколько больше 3 В, то светодиод будет светить не в полную силу. Иногда это может быть даже полезным. Например, используя светодиод с выключателем и дисковый аккумулятор на 3 В (в народе называемая таблеткой), применяемый в материнских платах компьютера, можно сделать небольшой брелок-фонарик. Такой миниатюрный фонарик может пригодиться в разных ситуациях.

От такой батарейки — таблетки на 3 Вольта можно запитать светодиод

Используя пару батареек 1.5 В и покупной или самодельный преобразователь для питания одного или нескольких LED, можно изготовить более серьезную конструкцию. Схема одного из подобных преобразователей (бустеров) изображена на рисунке.

Бустер на основе микросхемы LM3410 и нескольких навесных элементов имеет следующие характеристики:

  • входное напряжение 2. 7 – 5.5 В.
  • максимальный выходной ток до 2.4 А.
  • количество подключаемых LED от 1 до 5.
  • частота преобразования от 0.8 до 1.6 МГц.

Выходной ток преобразователя можно регулировать, изменяя сопротивление измерительного резистора R1. Несмотря на то, что из технической документации следует, что микросхема рассчитана на подключение 5-ти светодиодов, на самом деле к ней можно подключать и 6. Это обусловлено тем, что максимальное выходное напряжение чипа 24 В. Еще LM3410 позволяет регулировать яркость свечения светодиодов (диммирование). Для этих целей служит четвертый вывод микросхемы (DIMM). Диммирование можно осуществлять, изменяя входной ток этого вывода.

Как подключить от 9В батарейки Крона

«Крона» имеет относительно небольшую емкость и не очень подходит для питания мощных светодиодов. Максимальный ток такой батареи не должен превышать 30 – 40 мА. Поэтому к ней лучше подключить 3 последовательно соединенных светоизлучающих диода с рабочим током 20 мА. Они, как и в случае подключения к батарейке 3 вольта не будут светить в полную силу, но зато, батарея прослужит дольше.

Схема питания от батарейки крона

В одном материале трудно осветить все многообразие способов подключения светодиодов к батареям с различным напряжением и емкостью. Мы постарались рассказать о самых надежных и простых конструкциях. Надеемся, что этот материал будет полезен как начинающим, так и более опытным радиолюбителям.

Стабилитрон — Википедия

Стабилитрон в стеклянном корпусе с рассеиваемой мощностью 0,5 Вт
Условные графические обозначения обычных (вверху) и двуханодных (внизу) стабилитронов на принципиальных схемах

Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — 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 oма до сотен oм[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», «супрессоры», «TVS-диоды») применяется 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 полупроводниковые 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[7]. В англоязычной литературе словом stabilitron или stabilotron называют стабилотрон — не получивший широкого распространения тип вакуумной генераторной лампы СВЧ-диапазона[8][9], 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[10]. 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[11] — 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 непрерывном режиме. Это маломощные стабилитроны с необычно низким дифференциальным сопротивлением; в промышленной практике различие между ними и «обычными» стабилитронами стёрлось[12].

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» (аналог AD589) — это бандгап Брокау. На структурной схеме микросхемы TL431 изображён стабилитрон, но в действительности TL431 — это бандгап Видлара[13][14].

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»[15]. Обращённые диоды в различных источниках определяются и как подкласс стабилитронов[16], и как подкласс туннельных диодов[17]. 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[16][18].

Принцип действия

Полупроводниковый стабилитрон — это 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 вследствие тепловой неустойчивости — разрушительного 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[20]. Серийные стабилитроны изготавливаются из кремния, известны также перспективные разработки стабилитронов из карбида кремния и арсенида галлия[21].

Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском университете[22]. Его «Теория электрического пробоя в твёрдых диэлектриках» была опубликована летом 1934 года[23]. В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложенный Зенером туннельный механизм действует только при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при бо́льших напряжениях преобладает лавинный механизм[22]. 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 ≈ 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)[24].
  • 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[25].

Механизм пробоя конкретного образца можно определить грубо — по напряжению стабилизации, и точно — по знаку его температурного коэффициента[26]. 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  до 6 EG» (4,5…6,7 В), авторы словаря «Электроника» — «от 5 до 7 В»[9], Линден Харрисон — «от 3 до 8 В»[27], Ирвинг Готтлиб проводит верхнюю границу по уровню 10 В[10]. Низковольтные лавинные диоды (LVA) на напряжения от 4 до 10 В — исключение из правила: в них действует только лавинный механизм[12].

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[28]. Наихудшая совокупность характеристик — высокий уровень шума, большой разброс напряжений стабилизации, высокое дифференциальное сопротивление — свойственна низковольтным стабилитронам на 3,3—4,7 В[29].

Производство

Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в пластиковом (вверху) и стеклянном (внизу) корпусах[30]

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[31].

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[30]:

  • 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[30].
  • 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[30].

В более дорогом варианте этой технологии используются три этапа термообработки: кристалл спаивается с молибденовыми или вольфрамовыми обоймами при температурах не менее 700 °C, капсулируется в стекло, и только затем припаиваются выводы[32]. Во всех случаях выводы дополнительно облуживаются после корпусирования[30]. Медные выводы предпочтительнее, так как отводят тепло лучше, чем биметаллические[33]. 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[34][35].

Области применения

Защитные стабилитроны в «умном» МДП-транзисторе семейства Intelligent Power Switch компании International Rectifier[36]

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 преобразователей. C середины 1970-х годов и по сей день (2012 год) стабилитроны со скрытой структурой являются наиболее точными и стабильными твердотельными ИОН[37]. Точностные показатели лабораторных эталонов напряжения на специально отобранных интегральных стабилитронах приближаются к показателям нормального элемента Вестона[38].

Особые импульсные лавинные стабилитроны («подавители переходных импульсных помех», «супрессоры», «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[39]. 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[40].

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[41][42]. С развитием интегральных технологий эту функцию взяли на себя устройства на быстродействующих компараторах, а затем цифровые процессоры обработки 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[43][42].
  • 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[44][45].
  • 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[46][47].
  • 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[48], но были быстро вытеснены более совершенными схемами сдвига уровней на транзисторах.
  • Стабилитроны с высоким ТКН использовались как датчики температуры в мостовых измерительных схемах[49]. 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[50].

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[51]. Режим стабилизации возможен в достаточно широкой области токов и напряжений, поэтому в технической документации указываются допустимые минимальные и максимальные значения 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[52]. Минимальные токи низковольтных лавинных диодов измеряются единицами и десятками микроампер[53], минимальные токи «обычных» стабилитронов — единицами миллиампер.

Например, номинальное напряжение советского стабилитрона 2С133В, , 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 °C) установлен на уровне 1 мА, максимальный — зависит от температуры и атмосферного давления. При нормальном атмосферном давлении и температуре, не превышающей +35 °C, ток не должен превышать 37,5 мА, а при температуре +125 °C — 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 °C до +125 °C. При —60 °C разброс напряжений составляет 3,1…3,8 В, при +125 °C — 2,8…3,5 В[54].

Дифференциальное сопротивление

Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов одного семейства (Motorola, 1970-е годы) от напряжения стабилизации и тока стабилизации[55]

Дифференциальное, или динамическое сопротивление стабилитрона равно отношению приращения напряжения стабилизации к приращению тока стабилизации в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации[56]. Оно определяет 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[57]. 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[58].

Для маломощного стабилитрона дифференциальное сопротивление при минимальном токе стабилизации 1 мА равно 680 Ом, а при номинальном токе в 5 мА и температурах от —60 до +125 °C не превышает 150 Ом [59]. Стабилитроны бо́льшей мощности на то же номинальное напряжение имеют меньшее дифференциальное сопротивление, например,  — 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[60]. Внутри каждого семейства стабилитронов (одной и той же максимальной мощности) наименьшие абсолютные значения дифференциального сопротивления при заданном токе имеют стабилитроны на напряжение 6 В[28].

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[61]. 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 °C до +125 °C 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[62] можно найти точку (значение тока ITK0 и напряжения UTK0), в которой температурный коэффициент близок к нулю. Если стабилизировать ток такого стабилитрона внешним источником тока на уровне, точно равном ITK0, то напряжение на стабилитроне, равное UTK0 практически не зависит 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[63]. Стабилитроны на напряжение менее 4,5 В также имеют точку нулевого ТКН, но она находится за пределами области безопасной работы[62]. Стабилитроны на напряжение свыше 6,5 В имеют положительный (ненулевой) ТКН во всём диапазоне токов[62].

Дрейф и шум

В справочной документации на обычные, не прецизионные, стабилитроны показатели дрейфа и шума обычно не указываются. Для прецизионных стабилитронов это, напротив, важнейшие показатели наравне с начальным разбросом и ТКН[64]. Высокий уровень шума обычных стабилитронов обусловлен высокой концентрацией посторонних примесей 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[65]. 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[66][67].

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[68].

Динамические характеристики

Частота переключения стабилитрона общего назначения обычно не превышает 100 кГц[69]. 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[69].

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[70]

Область безопасной работы стабилитрона ограничена рядом параметров, важнейшими из которых является максимальные значения постоянного тока, импульсного тока, температуры p-n-перехода (+150 °C для корпуса SOT-23, +175 °C для корпуса DO-35, +200 °C для корпуса DO-41[71]) и рассеиваемой мощности. Все эти ограничения должны выполняться одновременно, а несоблюдение хотя бы одного из них ведёт к разрушению стабилитрона[72].

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:

Tj=Ta+PRja{\displaystyle T_{j}=T_{a}+PR_{ja}},

где Rja — тепловое сопротивление между p-n-переходом и окружающей средой (воздухом) для непрерывно рассеиваемой мощности[73]. Типичное значения этого показателя маломощного стабилитрона, например, серии NZX, равно 380 °C/Вт[74]. Мощность, при которой расчётная температура не будет превышать установленного предела в +175 °C[74], ограничена величиной

P(Ta)=(175oC−Ta)Rja{\displaystyle P\left(T_{a}\right)={\frac {\left(175^{o}C-T_{a}\right)}{R_{ja}}}}

Для ожидаемой температуры окружающей среды +50 °C расчётная мощность составляет всего 330 мВт — в полтора раза меньше паспортного максимума мощности в 500 мВт[74].

Характер и причины отказов

Катастрофическое короткое замыкание может быть вызвано не только выходом за пределы области безопасной работы, но и медленной диффузией атомов легирующей примеси в p-n-переходе. В силовых стабилитронах с пружинным креплением 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[22].

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 влажности объясняется негерметичностью корпуса стабилитрона. Дрейф выходного сопротивления, обычно сопровождающийся повышенным уровнем шума, связан с ухудшением электрического контакта между кристаллом и выводами[22].

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[75]. К 2000-м годам дискретные термокомпенсированные стабилитроны были вытеснены интегральными источникам опорного напряжения, обеспечившими лучшие показатели точности и стабильности при меньших токах и напряжениях питания[76].

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[77]. Нормированный ТКН таких приборов может составлять всего лишь 0,0005 %/°C, или 5 ppm/°C[78]. 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[79], или для тока, типичного для данного семейства стабилитронов (7,5 мА для двуханодного 1N822 из стандартной серии 1N821−1N829[80]). Если же диодом термокомпенсированного стабилитрона служит не стабилитрон, а «простой» диод с ненормированным напряжением пробоя, то эксплуатация прибора на прямой ветви вольт-амперной характеристики, как правило, не допускается[81].

Номинальное напряжение стабилизации типичного термокомпенсированного стабилитрона составляет 6,2 или 6,4 В при разбросе в ±5 % (в особых сериях ±2 % или %±1 %)[77]. В зарубежной номенклатуре наиболее распространены три шестивольтовые серии на номинальные токи 0,5 мА (1N4565−1N4569), 1,0 мА (1N4570−1N4574) и 7,5 мА (1N821−1N829)[82]. Номинальные токи этих серий соответствуют току нулевого ТКН; при меньших токах ТКН отрицательный, при бо́льших — положительный. Дифференциальное сопротивление приборов на 7,5 мА составляет 10 или 15 Ом[80], приборов на 0,5 мА — не более 200 Ом[83]. 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»[84]. На принципиальных схемах они обозначаются тем же символом, что и обычные стабилитроны[85].

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[86].

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[37]. Специально отобранные LTZ1000 используются в наиболее точных твердотельных эталонах напряжения компании Fluke, которая декларирует временну́ю нестабильность в 1 ppm/год и ТКН в 0,1 ppm/°C[38][87]. 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[88]), шума (LTZ1000 — 1,2 мкВ пик-пик[88]) и длительного дрейфа (LTZ1000 — 2 мкВ/1000ч[88]). 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»). Его можно рассматривать как делитель напряжения, в котором в качестве нижнего плеча используется стабилитрон. Разница между напряжением питания и напряжением пробоя стабилитрона падает на балластном резисторе, а протекающий через него ток питания разветвляется на ток нагрузки и ток стабилитрона. Стабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи[89].

Расчёт параметрического стабилизатора на полупроводниковых стабилитронах аналогичен расчёту стабилизатора на газонаполненных приборах, с одним существенным отличием: газонаполненным стабилитронам свойственен гистерезис порогового напряжения. При емкостной нагрузке газонаполненный стабилитрон самовозбуждается, поэтому конструкции таких стабилизаторов 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[90]. 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 °C стабилитрон разрушается. Соблюдение паспортной области безопасной работы так же важно для стабилитронов, как и для транзисторов[91].
  • 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 позволит ему выдать и максимальное напряжение, и максимальный ток одновременно[92].

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][93];
  • 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»[94].

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[38].

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 открывался при токе стабилитрона, примерно равном его номинальному току стабилизации. Например, при Iст.ном.=5 мА и =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 транзистор 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[95][96].

Схема составного стабилитрона не предназначена для работы на «прямом токе», но легко преобразуется в двустороннюю («двуханодный стабилитрон») с помощью диодного моста[96].

Базовая схема последовательного стабилизатора

Простейшая схема последовательного стабилизатора и пример её практического воплощения[97]

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[98]. Минимальное падение напряжения на 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[99].

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[99].

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

Типичная схема включения термокомпенсированного стабилитрона с источником тока на маломощном МДП-транзисторе со встроенным каналом[100]

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 схемах с током более 1 мА из-за высокой нестабильности по температуре (+0,336 %/°C)[101].

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,

составляет порядка 100 ppm в месяц[102] — 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[103], во втором она определяется полосой пропускания интегральных усилителей (900 Мгц) и качеством монтажа[104].

Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём[104]. 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[105].

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[34][35].

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[34][35].

Примечания

  1. 1 2 3 4 Зи, 1984, с. 122.
  2. 1 2 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. ↑ ГОСТ 15133—77, 1987, с. 13, определение 91.
  8. Earls, A. R.; Edwards, R. E. Raytheon Company: The First Sixty Years. — Arcadia Publishing, 2005. — P. 84. — 128 p. — ISBN 9780738537474.
  9. 1 2 Колесников, 1991, с. 520.
  10. 1 2 Готтлиб, 2002, с. 331.
  11. ↑ ГОСТ 15133—77, 1987, с. 12, определение 85.
  12. 1 2 Готтлиб, 2002, с. 332.
  13. ↑ Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — 2-е изд.. — Додэка, 1998. — С. 219, 220, 225-228. — ISBN 5878350211.
  14. ↑ Полный анализ схемы TL431 см в Basso, C. The TL431 in Switch-Mode Power Supplies loops: part I // ON Semiconductor. — 2009.
  15. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 394-398.
  16. 1 2 Amos, Stanley et al. Newnes Dictionary of electronics. — 4-th ed.. — Oxford: Newnes / Elsevier, 1999. — С. 22. — 389 с. — ISBN 9780750643313.
  17. ↑ Колесников, 1991, с. 333.
  18. ↑ ГОСТ 15133—77, 1987, с. 11, определение 75.
  19. ↑ Harrison, 2005, p. 372, fig.13.7.
  20. ↑ Зи, 1984, с. 103-104, 122.
  21. Tsuchida, H. ; Nakayama, K. ; Sugawara, Y. 20V-400A SiC Zener Diodes with Excellent Temperature Coefficient // Power Semiconductor Devices and IC’s, 2007 (ISPSD ’07). — С. 277-280. — ISBN 1424410967. — DOI:10.1109/ISPSD.2007.4294986., Monakhov, E. V., Hornos, T., Svensson, B. SiC Zener Diode for Gate Protection of 4.5 kV SiCGT // Materials Science Forum. — 2010. — Т. Silicon Carbide and Related Materials 2010. — С. 559-562. — DOI:10.4028/www.scientific.net/MSF.679-680.559.
  22. 1 2 3 4 Bazu, Bajenescu, 2011, chapter 5.3.1.4 Z Diodes.
  23. 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:10.1016/b978-0-12-448750-5.50032-3.
  24. ↑ Зи, 1984, с. 105-106.
  25. ↑ Зи, 1984, с. 109-115.
  26. ↑ Зи, 1984, с. 106.
  27. ↑ Harrison, 2005, p. 374.
  28. 1 2 Хоровиц и Хилл, 1986, с. 315-316.
  29. ↑ Пиз, 2001, с. 113. В переводе ошибка: «малое дифференциальное сопротивление» вместо «большого» (в оригинале «poor impedance specs»).
  30. 1 2 3 4 5 TVS/Zener Theory and Design, 2005, p. 10.
  31. ↑ TVS/Zener Theory and Design, 2005, p. 9.
  32. ↑ NASA, 1988, p. 4-65.
  33. ↑ NASA, 1988, p. 4-63.
  34. 1 2 3 Camenzind, 2005, p. 1-28.
  35. 1 2 3 Пиз, 2001, с. 115.
  36. ↑ AUIPS2031R Intelligent power low side switch. International Rectifier (2010). Проверено 22 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.
  37. 1 2 Harrison, 2005, pp. 417-420.
  38. 1 2 3 Авербух, В. Прецизионные источники опорного напряжения // Додэка. — 2000.
  39. ↑ Пиз, 2001, с. 113.
  40. ↑ Подробный (но изрядно устарелый) обзор «умных» транзисторов см. Hayes, A. An introduction to intelligent power. ST Microelectronics (1999). Проверено 22 ноября 2012.
  41. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 238, 239.
  42. 1 2 NASA, 1988, p. 4-58.
  43. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 237, 239.
  44. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 240, 241.
  45. ↑ NASA, 1988, p. 4-59,4-63.
  46. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 239, 240.
  47. ↑ NASA, 1988, p. 4-60.
  48. ↑ Гершунский и др., 1975, с. 240.
  49. ↑ NASA, 1988, p. 4-61.
  50. ↑ Camenzind, 2005, p. 2-12.
  51. ↑ ГОСТ 25529—82, 1986, с. 11, определения 81 и 82.
  52. ↑ Harrison, 2005, p. 369.
  53. ↑ PLVA2600A series low-voltage avalanche regulator double diodes. NXP Semiconductors. Проверено 22 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.
  54. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292 (данные серий 2С133В, 2С133Г).
  55. ↑ Хоровиц и Хилл, 1986, с. 315, рис. 5.18.
  56. ↑ ГОСТ 25529—82, 1986, с. 12, определение 84.
  57. ↑ Harrison, 2005, pp. 376.
  58. ↑ NASA, 1988, p. 4-56.
  59. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292.
  60. ↑ Low voltage avalanche zener diodes. Knox Semiconductor. Проверено 22 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года., данные серии 1N6083/LVA347
  61. ↑ ГОСТ 25529—82, 1986, с. 12, определение 85.
  62. 1 2 3 NASA, 1988, p. 4-70.
  63. ↑ Harrison, 2005, pp. 374-375.
  64. ↑ Harrison, 2005, pp. 326, 327, 332.
  65. ↑ Harrison, 2005, p. 368.
  66. ↑ Harrison, 2005, p. 434.
  67. ↑ VRE3050: Low Cost Precision Reference. Thaler Corporation (2000-07-01). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.. Данные серии VRE3050J. В 2012 году производится компанией Apex Microtechnology, выделившейся из состава Cirrus Logic и унаследовавшей линейку ИОН Thaler
  68. ↑ NASA, 1988, p. 4-72, 4-73.
  69. 1 2 NASA, 1988, p. 4-71.
  70. ↑ 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.».
  71. ↑ Harrison, 2005, p. 382.
  72. ↑ Harrison, 2005, pp. 376-377.
  73. ↑ Harrison, 2005, pp. 379-380.
  74. 1 2 3 NZX series. Single zener diodes. Product data sheet. NXP Semiconductors. Проверено 22 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.
  75. ↑ Harrison, 2005, pp. 393, 394.
  76. ↑ Harrison, 2005, p. 400.
  77. 1 2 Harrison, 2005, p. 394.
  78. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 357.
  79. ↑ NASA, 1988, p. 4-57.
  80. 1 2 1N821 thru 1N829A-1 DO-7 6.2 & 6.55 Volt Temperature Compensated Zener Reference Diodes. Microsemi Corporation (2003). Проверено 28 ноября 2012.
  81. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 349.
  82. ↑ Harrison, 2005, pp. 398-399.
  83. ↑ 1N4565 thru 1N4584A-1 DO-7 6.4 Volt Temperature Compensated Zener Reference Diodes. Microsemi Corporation (2003). Проверено 28 ноября 2012.
  84. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 347.
  85. ↑ Действующий ГОСТ 2.730-73 «Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые» не предусматривает особого обозначения для прецизионных составных приборов
  86. Mitchell, L. Understanding and Applying Voltage References // Linear Technology. — 1999. — № Application Note 82.
  87. Fluke Corporation. A practical approach to maintaining DC reference standards // Fluke Corporation. — 2000. — P. 6.
  88. 1 2 3 LTZ1000/LTZ1000A: Ultra Precision Reference. Linear Technology (1987). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 26 ноября 2012 года.
  89. ↑ ГОСТ 23419—79 «Средства вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры». — С учётом изменения 1. — Госстандарт СССР, 1985. — С. 2, определение 11. — 4 с.
  90. ↑ Harrison, 2005, p. 378: при отказе стабилитрона, обычно его выводы закорачиваются.
  91. ↑ Harrison, 2005, pp. 376-379.
  92. ↑ Harrison, 2005, p. 378.
  93. ↑ Диоды, стабилитроны, тиристоры, 1988, с. 290-292 (данные серий 2С133В, 2С133Г) или 269 (данные серии Д814) и т.п..
  94. ↑ Мощные полупроводниковые диоды, 1985, с. 126 (справочные данные серии Д815) и т.п..
  95. ↑ Harrison, 2005, pp. 382-386.
  96. 1 2 Пиз, 2001, с. 116, рис. 6.4.
  97. ↑ Harrison, 2005, p. 387, c. 13.15.
  98. ↑ Harrison, 2005, pp. 386-387.
  99. 1 2 Broskie, J. Subject: Virtual Zener // Tube CAD Journal. — 1999. — № December 1999. — P. 17.
  100. ↑ Harrison, 2005, p. 398, рис. 13.26.
  101. ↑ Harrison, 2005, pp. 397, 398.
  102. ↑ Harrison, 2005, pp. 395, 396.
  103. ↑ Генератор белого шума // Радио. — 1979. — № 9. — С. 58.
  104. 1 2 Building a Low-Cost White-Noise Generator // Maxim Integrated Application Notes. — 2005. — № AN 3469.
  105. 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 устройств. — 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.
Источник питания

9 В постоянного тока с использованием стабилитрона и транзистора

В этом источнике питания 9 В постоянного тока используются стабилитрон и проходной транзистор , его можно использовать для питания небольших цепей или электронных устройств, которые обычно используют батарею 9 В, что позволяет нам сэкономить на затратах. батареи на 9 вольт при использовании дома.

Чтобы лучше понять работу этого источника напряжения 9 В постоянного тока, рекомендуется сначала прочитать следующее руководство: Стабилизатор напряжения на стабилитроне, в котором объясняется работа и конструкция стабилизированного источника напряжения, в котором используется только стабилитрон.

Этот источник напряжения 9 В постоянного тока очень прост и может быть собран в очень небольшом пространстве.

Как работает блок питания 9 В постоянного тока?

Основные компоненты этой схемы являются стабилитрон, который используется в качестве опорного напряжения и биполярный транзистор для усиления тока, который подается на нагрузку. Диоды трансформатора и выпрямителя позволяют получить на выводах электролитического конденсатора нерегулируемое напряжение приблизительно 16,5 вольт.

Источник питания 9 В постоянного тока с использованием стабилитрона и транзистора

С стабилитроном на 10 В (Z), подключенным к базе транзистора, выходное напряжение 9.На эмиттере транзистора получается 4 / 9,3 В: Vout = Vz — Vbe = 10 В — 0,6 В = 9,4 В постоянного тока, где Vbe — напряжение база-эмиттер биполярного транзистора. (От 0,6 до 0,7 вольт)

Светодиод (D3) указывает на то, что питание включено. Хотя транзистор, используемый в этой схеме, допускает максимальный ток в 1 ампер, рекомендуется, чтобы ток не превышал 500 мА.

Список компонентов источника питания 9 В постоянного тока

  • 1 NTE128 NPN или аналогичный транзистор (Q1)
  • 1 Стабилитрон 10 В, 1/2 Вт (Z)
  • 2 1N4001 или аналогичные диоды (D1, D2)
  • 1 красный или зеленый светодиод (D3)
  • 1 резистор 150 Ом, 1/2 Вт (R1)
  • Резистор 1680 Ом, 1 / 4Вт (R2)
  • 1 Электролитический конденсатор 2200 мкФ / 25 В (C)
  • 1120/240 В переменного тока к трансформатору с центральным ответвлением 24 В переменного тока, 500 мА (трансформатор 18 В можно использовать без проблем) (T1)

Вам также может понравиться: Схема преобразователя постоянного тока с 12 В на 9 В

Как использовать стабилитроны

AN008 — Как использовать Используйте стабилитроны
Elliott Sound Products АН-008
Род Эллиотт (ESP)
Прил.Индекс банкнот
Основной индекс

О стабилитронах Стабилитроны
очень часто используются для базовых задач регулирования напряжения. Они используются в качестве дискретных компонентов, а также в пределах ИС, которые требуют опорного напряжения. Стабилитроны (также иногда называемые опорное напряжение диоды) действует как обычный диод кремния в прямом направлении, но предназначены для разрушения при определенном напряжении, когда подвергается воздействию обратного напряжения.

Все диоды делают это, но обычно при напряжениях, которые непредсказуемы и слишком высоки для обычных задач регулирования напряжения.В стабилитронах используются два разных эффекта …

  • Ударная ионизация (также называемая лавинным пробоем) — положительный температурный коэффициент
  • Пробой стабилитрона — отрицательный температурный коэффициент

Ниже 5,5 В преобладает стабилитрон, а при напряжениях 8 В и более — лавинный пробой. Хотя у меня нет намерения вдаваться в подробности, в сети есть много информации (см. Ссылки) для тех, кто хочет знать больше.Поскольку эти два эффекта имеют противоположные тепловые характеристики, стабилитроны при напряжении около 6 В обычно имеют очень стабильные характеристики в отношении температуры, поскольку положительный и отрицательный температурные коэффициенты компенсируются.

Очень высокая термическая стабильность может быть получена путем последовательного включения стабилитрона с обычным диодом. Здесь нет жестких правил, и обычно требуется выбор устройства, чтобы комбинация была как можно более стабильной. Можно выбрать стабилитрон около 7-8 В для работы с диодом, чтобы компенсировать температурный дрейф.Излишне говорить, что диодный и стабилитронный переходы должны находиться в тесном тепловом контакте, иначе температурная компенсация не будет успешной.

Стабилитрон — это уникальный полупроводниковый прибор, который выполняет множество различных задач в отличие от любого другого компонента. Похожее устройство (которое, по сути, является самим специализированным стабилитроном) — это TVS-диод (ограничитель переходных напряжений). Однако есть несколько альтернатив TVS-диодам, в отличие от стабилитронов. Прецизионные опорное напряжение ИС можно рассматривать как аналогичные Zeners, но они не являются — они ИСЫ, которые используют ссылку запрещенной зоны (обычно около 1.25 В). Это ИС, содержащие множество внутренних деталей. Стабилитрон — это цельная деталь с одним P-N переходом.


Использование стабилитронов
По непонятным мне причинам в сети почти нет информации о том, как именно использовать стабилитрон. Вопреки тому, что можно было ожидать, существуют ограничения для правильного использования, и если они не будут соблюдены, производительность будет намного хуже, чем ожидалось. На рисунке 1 показаны стандартные характеристики стабилитрона, но, как и почти на всех подобных диаграммах, отсутствует важная информация.


Рисунок 1 — Проводимость стабилитрона

Итак, чего не хватает? Важная деталь, которую легко упустить, — это то, что наклон секции разбивки составляет , а не прямую . Стабилитроны обладают так называемым «динамическим сопротивлением» (или импедансом), и это следует учитывать при проектировании схемы с использованием стабилитрона.

Фактическое напряжение, при котором начинается пробой, называется изломом кривой, и в этой области напряжение довольно нестабильно.Он довольно сильно меняется в зависимости от тока, поэтому важно, чтобы стабилитрон работал выше колена, где наклон наиболее линейный.

В некоторых технических паспортах приводится значение динамического сопротивления, которое обычно составляет около 0,25 от максимального номинального тока. Динамическое сопротивление при таком токе может составлять всего пару Ом, а стабилитроны около 5-6 В дают лучший результат. Обратите внимание, что это также соответствует лучшим тепловым характеристикам.

Это все хорошо, но что такое динамическое сопротивление? Это просто «кажущееся» сопротивление, которое можно измерить, изменив силу тока.Лучше всего это пояснить на примере. Предположим, что динамическое сопротивление для конкретного стабилитрона составляет 10 Ом. Если мы изменим ток на 10 мА, напряжение на стабилитроне изменится на …

В = R × I = 10 Ом * 10 мА = 0,1 В (или 100 мВ)

Таким образом, напряжение на стабилитроне изменится на 100 мВ при изменении тока на 10 мА. Хотя, например, для стабилитрона 15 В это может показаться не очень большим, это все же представляет собой значительную ошибку. По этой причине стабилитроны в схемах регуляторов обычно запитываются от источника постоянного тока или через резистор от регулируемого выхода.Это минимизирует колебания тока и улучшает регулирование.

В технических паспортах производителей часто указывается динамическое сопротивление как в колене, так и при заданном токе. Стоит отметить, что, хотя динамическое сопротивление стабилитрона может составлять всего 2-15 Ом при 25% максимального тока (в зависимости от номинального напряжения и мощности), оно может быть более 500 Ом на уровне колена, так же как и стабилитрон начинает выходить из строя. Фактические цифры меняются в зависимости от напряжения пробоя, при этом стабилитроны высокого напряжения имеют гораздо более высокое динамическое сопротивление (на всех участках кривой пробоя), чем блоки низкого напряжения.Точно так же детали с более высокой мощностью будут иметь более низкое динамическое сопротивление, чем версии с низким энергопотреблением (но для достижения стабильной рабочей точки требуется больший ток).

Наконец, полезно посмотреть, как определить максимальный ток стабилитрона, и установить практическое правило для оптимизации тока для достижения наилучших характеристик. В технических паспортах стабилитронов обычно указывается максимальный ток для различных напряжений, но это может быть легко решено, если у вас нет таблицы данных под рукой …

I = P / V , где I = ток, P = номинальная мощность стабилитрона и V = номинальное напряжение стабилитрона.

Например, стабилитрон 27 В 2 Вт может выдерживать максимальный непрерывный ток …

I = 2/27 = 0,074 A = 74 мА (при 25 ° C)

Как указано в примечании к приложению «стабилитрон с поддержкой транзистора» (AN-007), для оптимальной работы стабилитрона лучше всего поддерживать ток на уровне максимум 0,7 номинального тока, поэтому стабилитрон 27 В / 2 Вт не должен работать с током более 47 мА. Идеальное значение составляет 20-30% от максимума, так как это сводит к минимуму потери энергии, поддерживает разумную температуру стабилитрона и гарантирует, что стабилитрон работает в пределах наиболее линейной части кривой.Если вы посмотрите на таблицу данных стабилитрона ниже, вы увидите, что испытательный ток обычно составляет от 25% до 36% от максимального продолжительного тока. Мудрый читатель поймет, что этот диапазон был выбран, чтобы показать диод в наилучшем свете, и, следовательно, это рекомендуемый рабочий ток.

Хотя все это не является сложным, оно показывает, что в скромном стабилитроне (не очень) есть нечто большее, чем склонны осознавать новички (и многие профессионалы в том числе). Только поняв, какой компонент вы используете, вы сможете добиться от него максимальной производительности.Конечно, это относится не только к стабилитронам — большинство (так называемых) простых компонентов имеют характеристики, о которых многие не подозревают.

Помните, что стабилитрон очень похож на обычный диод, за исключением того, что он имеет определенное обратное напряжение пробоя, которое намного ниже, чем у любого стандартного выпрямительного диода. Стабилитроны всегда подключены с обратной полярностью по сравнению с выпрямительным диодом, поэтому катод (клемма с полосой на корпусе) подключается к наиболее положительной точке в цепи.


Зажимы Зенера

Часто необходимо применять зажим, чтобы напряжение переменного тока не превышало заданное значение. На рисунке 2 показаны два способа сделать это. Первый явно неверен — хотя он будет работать как фиксатор, пиковое выходное напряжение (на стабилитронах) составит всего 0,65 В. Стабилитроны действуют как обычные диоды с примененной обратной полярностью, поэтому первая цифра идентична паре обычных диодов.


Рисунок 2 — Зажим для переменного тока на стабилитроне

В первом случае оба стабилитрона будут вести себя как обычные диоды, потому что напряжение стабилитрона никогда не будет достигнуто.Во втором случае фактическое ограниченное напряжение будет на 0,65 В выше напряжения стабилитрона из-за последовательного диода. Таким образом, стабилитроны на 12 В будут фиксировать напряжение около 12,65 В — R1 предназначен для ограничения тока до безопасного значения для стабилитронов, как описано выше.

Важно помнить, что стабилитроны идентичны стандартным диодам при напряжении ниже своего стабилитрона — фактически, обычные диоды могут использоваться как стабилитроны. Фактическое напряжение пробоя обычно намного выше, чем обычно используется, и каждый диод (даже из одного производственного цикла) будет иметь другое напряжение пробоя, которое обычно слишком велико, чтобы быть полезным.


Данные стабилитрона

Приведенные ниже данные довольно типичны для стабилитронов мощностью 1 Вт в целом и показывают напряжение стабилитрона и одно из наиболее важных значений — динамическое сопротивление. Это полезно, потому что показывает, насколько хорошо стабилитрон будет регулировать и (с небольшими расчетами), сколько пульсаций вы получите, когда стабилитрон будет питаться от типичного источника питания. Пример расчета показан ниже.

Если вы хотите самостоятельно измерить динамическое сопротивление, это сделать довольно просто.Во-первых, используйте ток около 20% от номинального максимума от регулируемого источника питания через подходящий резистор. Измерьте и запишите напряжение на стабилитроне. Теперь увеличьте ток (скажем) на 10 мА для стабилитронов менее 33 В. Вам нужно будет использовать меньшее увеличение тока для более высоких типов напряжения. Снова измерьте напряжение стабилитрона и отметьте точное увеличение тока.

Например, вы можете измерить следующее …

Напряжение стабилитрона = 11,97 В при 20 мА
Напряжение стабилитрона = 12.06 В при 30 мА
ΔV = 90 мВ, ΔI = 10 мА
R = ΔV / ΔI = 0,09 / 0,01 = 9 Ом

Этот процесс можно использовать с любым стабилитроном. Вам просто нужно отрегулировать ток в соответствии с требованиями, убедившись, что начальный и конечный испытательные токи находятся в пределах линейной части характеристик стабилитрона. Точность зависит от точности вашего испытательного оборудования, и важно убедиться, что температура стабилитрона остается стабильной во время теста, иначе вы получите неправильный ответ из-за теплового коэффициента стабилитрона.По возможности, испытания должны быть очень короткими с использованием импульсов, но это очень сложно без специального оборудования.

Следующие данные представляют собой полезный краткий справочник для стандартных стабилитронов мощностью 1 Вт. Основная информация взята из таблицы данных Semtech Electronics для стабилитронов серии 1N47xx. Обратите внимание, что суффикс «A» (например, 1N4747A) означает допуск 5%, а стандартный допуск обычно составляет 10%. Напряжение стабилитрона измеряется в условиях теплового равновесия и испытания на постоянном токе при указанном испытательном токе (I zt ).

Обратите внимание, что стабилитрон на 6,2 В (1N4735) имеет самое низкое динамическое сопротивление из всех показанных, и, как правило, также показывает близкий к нулю температурный коэффициент. Это означает, что это один из лучших значений для использования, где требуется достаточно стабильное опорное напряжение. Поскольку это очень полезное значение, оно выделено в таблице. Если вам нужна ссылка стабильного напряжения на действительно , то не использовать стабилитрон, но использовать специальную ссылку точности напряжения IC вместо этого.

Тип V Z (ном.) I Zt мА R Zt Ом R Z Ом при … Колено
Ток
(мА)
Утечка
мкА
Утечка
Напряжение
Пик
Ток (мА)
Продолж.
Ток (мА)
1N4728 3,3 76 10 400 1 150 1 1375 275
1N4729 3.6 69 10 400 1 100 1 1260 252
1N4730 3,9 64 9,0 400 1 100 1 1190 234
1N4731 4,3 58 9,0 400 1 50 1 1070 217
1N4732 4.7 53 8,0 500 1 10 1 970 193
1N4733 5,1 49 7,0 550 1 10 1 890 178
1N4734 5,6 45 5,0 600 1 10 2 810 162
1N4735 6.2 41 2,0 700 1 10 3 730 146
1N4736 6,8 37 3,5 700 1 10 4 660 133
1N4737 7,5 34 4,0 700 0,5 10 5 605 121
1N4738 8.2 31 4,5 700 0,5 10 6 550 110
1N4739 9,1 28 5,0 700 0,5 10 7 500 100
1N4740 10 25 7,0 700 0,25 10 7,6 454 91
1N4741 11 23 8.0 700 0,25 5 8,4 414 83
1N4742 12 21 9,0 700 0,25 5 9,1 380 76
1N4743 13 19 10 700 0,25 5 9,9 344 69
1N4744 15 17 14 700 0.25 5 11,4 304 61
1N4745 16 15,5 16 700 0,25 5 12,2 285 57
1N4746 18 14 20 750 0,25 5 13,7 250 50
1N4747 20 12.5 22 750 0,25 5 15,2 225 45
1N4748 22 11,5 23 750 0,25 5 16,7 205 41
1N4749 24 10,5 25 750 0,25 5 18,2 190 38
1N4750 27 9.5 35 750 0,25 5 20,6 170 34
1N4751 30 8,5 40 1000 0,25 5 22,8 150 30
1N4752 33 7,5 45 1000 0,25 5 25,1 135 27
1N4753 36 7.0 50 1000 0,25 5 27,4 125 25
1N4754 39 6,5 60 1000 0,25 5 29,7 115 23
1N4755 43 6,0 70 1500 0,25 5 32,7 110 22
1N4756 47 5.5 80 1500 0,25 5 35,8 95 19
1N4757 51 5,0 95 1500 0,25 5 38,8 90 18
1N4758 56 4,5 110 2000 0,25 5 42,6 80 16
1N4759 62 4.0 125 2000 0,25 5 47,1 70 14
1N4760 68 3,7 150 2000 0,25 5 51,7 65 13
1N4761 75 3,3 175 2000 0,25 5 56,0 60 12
1N4762 82 3.0 200 3000 0,25 5 62,2 55 11
1N4763 91 2,8 250 3000 0,25 5 69,2 50 10
1N4764 100 2,5 350 3000 0,25 5 76,0 45 9
Таблица 1 — Характеристики стабилитрона, 1N4728-1N4764
  1. I Zt = испытательный ток стабилитрона
  2. R Zt = динамическое сопротивление при заявленном испытательном токе
  3. R Z = динамическое сопротивление при токе, показанном в следующем столбце (Ток в колене (мА))
  4. Ток утечки = ток через стабилитрон ниже изгиба кривой проводимости стабилитрона при напряжении, указанном в следующем столбце (Напряжение утечки)
  5. Пиковый ток = максимальный неповторяющийся кратковременный ток (обычно <1 мс)
  6. Непрерывный ток = максимальный непрерывный ток, при условии, что провода на расстоянии 10 мм от тела имеют температуру 25 ° C (на практике маловероятно)


Рисунок 3 — Температурное снижение номинальных характеристик стабилитрона

Как и все полупроводники, стабилитроны должны быть снижены, если их температура превышает 25 ° C.Это всегда случай при нормальном использовании, и если вы используете приведенные выше рекомендации, вам обычно не о чем беспокоиться. На приведенном выше графике показана типичная кривая снижения характеристик стабилитронов, и это необходимо соблюдать для обеспечения надежности. Как и любой другой полупроводник, если стабилитрон слишком горячий, чтобы дотронуться до него, он горячее, чем должен быть. Уменьшите ток или используйте усиленный стабилитрон, описанный в AN-007.

Стабилитроны можно использовать последовательно, либо для увеличения мощности, либо для получения напряжения, недоступного иным образом. Не используйте стабилитроны параллельно, поскольку они не будут делить ток поровну (помните, что большинство из них имеют допуск 10%). Стабилитрон с более низким напряжением «перехватит» ток, перегреется и выйдет из строя. При последовательном использовании старайтесь поддерживать отдельные напряжения стабилитрона близкими к одинаковым, так как это гарантирует, что оптимальный ток через каждый находится в оптимальном диапазоне. Например, использование стабилитрона на 27 В последовательно с стабилитроном на 5,1 В было бы плохой идеей, потому что невозможно легко достичь оптимального тока через оба.


Применение стабилитронов

Использовать стабилитроны в качестве стабилизаторов достаточно просто, но есть некоторые вещи, которые вам нужно знать, прежде чем все подключать. Типичная схема показана ниже для справки и не предназначена для чего-либо конкретного — это просто пример. Обратите внимание, что если вам нужен двойной источник питания (например, ± 15 В), тогда схема просто дублируется для отрицательного источника питания, меняя полярность стабилитрона и C1 по мере необходимости. Мы будем использовать стабилитрон 1 Вт, в данном случае 1N4744, диод 15 В.Максимальный ток, который мы хотели бы использовать, составляет примерно половину расчетного максимума (не более 33 мА). Минимально допустимый ток составляет около 10% (достаточно близко к 7 мА).


Рисунок 4 — Типовая схема стабилитрона

Во-первых, вам необходимо знать следующие подробности о предполагаемой схеме …

  1. Источник напряжения — например, от источника питания усилителя мощности (включая любые пульсации напряжения)
  2. Максимальное и минимальное значения напряжения источника — оно будет меняться в зависимости от напряжения сети, тока нагрузки и пульсаций
  3. Желаемое регулируемое напряжение — желательно с использованием стабилитрона стандартного значения.Мы будем использовать 15V
  4. Ток нагрузки — ожидаемый ток потребления схемы, питаемой от стабилизированного источника питания.

Имея эту информацию, вы можете определить последовательное сопротивление, необходимое для стабилитрона и нагрузки. Резистор должен пропускать достаточный ток, чтобы стабилитрон находился в пределах своей линейной области, но значительно ниже максимального значения, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность. Если напряжение источника изменяется в широком диапазоне, может оказаться невозможным успешно использовать простой стабилизатор стабилитрона.

Предположим, что напряжение источника поступает от источника питания 35 В, используемого для усилителя мощности. Максимальное напряжение может достигать 38 В, снижаясь до 30 В, когда усилитель мощности работает на полную мощность при низком сетевом напряжении. Между тем, предусилитель, которому требуется регулируемое питание, использует пару операционных усилителей и потребляет 10 мА. Вы хотите использовать источник питания 15 В. для операционных усилителей. Это вся необходимая информация, поэтому мы можем провести расчеты. Vs — напряжение источника, Is — ток источника, Iz — ток стабилитрона, I L — ток нагрузки, Rs — сопротивление источника.

Iz (макс.) = 30 мА (наихудший случай, отсутствие нагрузки на сеть и максимальное сетевое напряжение)
I L = 10 мА (ток, потребляемый операционными усилителями)
Is (макс.) = 40 мА (опять же, полный ток от источника в наихудшем случае)

Из этого мы можем вычислить сопротивление Rs. Напряжение на Rs составляет 23 В, когда напряжение источника максимальное, поэтому Rs должно быть …

.
Rs = Vs / I = 23 / 40м = 575 Ом

Когда напряжение источника минимально, на резисторе Rs будет только 15 В, поэтому нам нужно проверить, достаточно ли тока стабилитрона…

Is = V / R = 15/575 Ом = 26 мА
Iz = Is — I L = 26 мА — 10 мА = 16 мА

Когда мы убираем ток нагрузки (10 мА для операционных усилителей), у нас все еще остается доступный ток стабилитрона 16 мА, поэтому регулирование будет вполне приемлемым, и стабилитрон не будет нагружен. 575 Ом — нестандартное значение, поэтому вместо него мы будем использовать резистор 560 Ом. Нет необходимости пересчитывать все заново, потому что изменение небольшое, и мы позаботились о том, чтобы дизайн изначально был консервативным.Следующим шагом является определение мощности, рассеиваемой в истоковом резисторе Rs …

для наихудшего случая.
Is = 23 В / 560 Ом = 41 мА P = Is² × R = 41 мА² * 560 Ом = 941 мВт

В этом случае было бы неразумно использовать резистор менее 2 Вт, но лучше с проволочной обмоткой 5 Вт. Точно так же, как рассчитывалась мощность резистора, неплохо еще раз проверить рассеивание стабилитрона в худшем случае. Возможно, удастся отключить операционные усилители, и в этом случае стабилитрон должен будет полностью поглотить 41 мА, поэтому рассеиваемая мощность составит 615 мВт.Это выше, чем цель, установленная в начале этого упражнения, но находится в пределах рейтинга стабилитрона 1W и никогда не будет проблемой в долгосрочной перспективе. Нормальное рассеивание в худшем случае составляет всего 465 мВт при подключенных операционных усилителях, и это вполне приемлемо.

На рисунке 4 показан конденсатор 220 мкФ, подключенный параллельно стабилитрону. Это не оказывает заметного влияния на выходной шум , а не , потому что импеданс (он же динамическое сопротивление) стабилитрона очень низок. Мы использовали пример стабилитрона 15 В, поэтому мы ожидаем, что его полное сопротивление будет около 14 Ом (из таблицы).Чтобы быть полезным для снижения шума, C1 должен быть не менее 1000 мкФ, но в большинстве случаев используются гораздо более низкие значения (обычно 100–220 мкФ). Цель состоит в том, чтобы подавать мгновенный (импульсный) ток, который может потребоваться для схемы или в случае операционных усилителей, чтобы гарантировать, что полное сопротивление источника питания останется низким, по крайней мере, до 2 МГц или около того.

Поскольку стабилитроны обладают динамическим сопротивлением, на выходе будет некоторая пульсация. Его можно рассчитать, исходя из входной пульсации, изменения тока источника и динамического сопротивления стабилитрона.Предположим, что на источнике есть пульсации 2В P-P. Это означает, что ток через Rs будет изменяться на 3,57 мА (I = V / R). Стабилитрон имеет динамическое сопротивление 14 Ом, поэтому изменение напряжения на стабилитроне должно быть …

.
V = R × I = 14 × 3,57 м = 50 мВ пик-пик (менее 20 мВ RMS)

При условии, что активная схема имеет хороший коэффициент отклонения источника питания (PSRR), пульсация 20 мВ на частоте 100 Гц (или 120 Гц) не будет проблемой. Если по какой-то причине это недопустимо, то дешевле использовать трехконтактный регулятор, чем любой из известных методов уменьшения пульсаций.Наиболее распространенным из них является использование двух резисторов вместо резисторов Rs и установка конденсатора высокого номинала (не менее 470 мкФ) от места соединения резисторов с землей. Это снизит пульсации до уровня ниже 1 мВ, в зависимости от размера дополнительного конденсатора.


Максимальное увеличение стабильности (опорного напряжения)

Стандартный резистор стабилитрона подвержен большим колебаниям тока и рассеиваемой мощности при изменении входного напряжения. Простая цепь обратной связи может помочь поддерживать очень стабильный ток через стабилитрон и, следовательно, обеспечить более стабильное опорное напряжение.Как обсуждалось ранее, стабилитрон 6,2 В имеет очень низкий тепловой коэффициент напряжения, и если мы сможем обеспечить стабильный ток, это еще больше улучшит регулирование напряжения. Питание стабилитрона источником тока является стандартной практикой в ​​производстве ИС, и это достаточно просто сделать и в дискретных конструкциях.

Устройство, показанное ниже не предназначено для использования в качестве источника питания, но, чтобы обеспечить фиксированное опорное напряжение для других схем, которые могут потребовать напряжения для стабильных компараторов (к примеру).Схема не может конкурировать с выделенной ссылкой точности напряжения, но это будет удивительно хорошо для многих применений общего назначения. Токовое зеркало (Q2b и Q3b) питается от источника тока (Q1b), опорная точка которого поступает от стабилитрона, поэтому существует замкнутый контур, и изменение тока через сам стабилитрон может быть очень небольшим. При указанных значениях ток стабилитрона составляет всего 2,5 мА, что, похоже, противоречит приведенным ранее рекомендациям. Однако увеличение тока стабилитрона не очень помогает, но увеличивает рассеиваемую мощность в транзисторах.Например, если R1b уменьшается до 1 кОм, ток стабилитрона увеличивается до 5,4 мА, рассеивание в Q1b и Q3b удваивается, но регулирование улучшается лишь незначительно.


Рисунок 5 — «Обычные» по сравнению с Схема

прецизионного стабилитрона

Сравните (a) и (b) в схемах на Рисунке 5, и сразу станет очевидно, что напряжение от стабилизированной версии (b) должно быть действительно очень стабильным, даже при большом изменении входного напряжения. При моделировании в диапазоне напряжений от 10 В до 30 В изменение напряжения на стабилитроне составляет менее 3 мВ, из чего следует, что ток стабилитрона и рассеиваемая мощность стабилитрона практически не изменяются во всем диапазоне напряжений.Это также означает, что пульсация отказ чрезвычайно высокий, так и с добавлением трех дешевых транзисторов и четыре резисторов, мы можем приблизиться к опорному напряжению цепи реальной точности. R4b необходим, чтобы схема могла запускаться при подаче напряжения, но, к сожалению, это отрицательно влияет на производительность. Более высокое сопротивление снижает эффекты, но может вызвать ненадежный запуск.

Стандартный стабилизатор стабилитрона (а) показывает типичное изменение напряжения около 110 мВ от входного напряжения 10-30 В, при изменении тока стабилитрона от 1.От 7 мА до более 15 мА. Это значительно хуже, чем у стабилизированной версии, но может вообще не представлять проблемы, если входное напряжение достаточно стабильно. В действительности маловероятно, что вам когда-нибудь понадобится использовать более сложный стабилизированный стабилитрон, и он включен сюда исключительно в интересах полноты картины.


Список литературы
1 Обратное смещение / пробой — обсуждение явления, когда диод имеет обратное смещение / пробой. Билл Уилсон
2 Радиоэлектроника.com — Обзор стабилитрона
3 Архив технических данных — Коммерческие микрокомпоненты BZX2C16V Стабилитрон 2 Вт, от 3,6 до 200 В.
4 Теория стабилитронов — Руководство OnSemi HBD854 / D (Больше не выпускается в OnSemi.)


Прил. Индекс банкнот
Основной указатель
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2004.Воспроизведение или переиздание любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки при создании проекта. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана, авторские права © Род Эллиотт 30 июня 2005 г./ Июл 2015 — обновлена ​​информация, добавлен рисунок 4.


В чем разница между стабилизаторами напряжения и стабилитронами?

Добро пожаловать на EDAboard.com

Добро пожаловать на наш сайт! EDAboard.com — международный электронный дискуссионный форум, посвященный программному обеспечению EDA, схемам, схемам, книгам, теории, статьям, asic, pld, 8051, DSP, сети, RF, аналоговому дизайну, печатным платам, руководствам по обслуживанию … и многому другому. Больше! Для участия вам необходимо зарегистрироваться. Регистрация бесплатна.Нажмите здесь для регистрации.
регистр Авторизоваться

JavaScript отключен. Для большего удобства включите JavaScript в своем браузере, прежде чем продолжить.

Статус
Закрыто для дальнейших ответов.
Зарегистрирован
12 апреля 2005 г.
Сообщения
881
Помог
122
Репутация
244
Оценка реакции
86
Трофейные очки
1 308
Очки активности
7 374
Привет,..
У меня есть небольшой вопрос, который может показаться глупым;

Чем отличаются стабилизаторы напряжения от стабилитронов. ???
Я имею ввиду разницу в функции. Оба они использовали для поддержания напряжения на определенном уровне.
Что еще. ???

Спасибо, что ответили на мои глупые вопросы.


Зарегистрирован
19 июля 2002 г.
Сообщения
4 629
Помог
489
Репутация
980
Оценка реакции
150
Трофейные очки
1,343
Расположение
Средиземье
Очки активности
46 689
Re: Регуляторы vs.Стабилитрон

Во времена дискретных деталей регуляторы с обратной связью были намного дороже.

Для широкого диапазона токов нагрузки регулятор более эффективен. Только стабилитроны потребляют ток, который не потребляет нагрузка.


    HasHx

    баллов: 2

    Полезный ответ Положительный рейтинг

Зарегистрирован
12 апреля 2005 г.
Сообщения
881
Помог
122
Репутация
244
Оценка реакции
86
Трофейные очки
1 308
Очки активности
7 374
Re: Регуляторы vs.Стабилитрон

Вы имеете в виду, что разница только в величине тока. ??


IanP
Продвинутый уровень 5
Зарегистрирован
5 октября 2004 г.
Сообщения
7 942
Помог
2 309
Репутация
4 620
Оценка реакции
531
Трофейные очки
1,393
Расположение
западное побережье
Очки активности
66 459
Re: Регуляторы vs.Стабилитрон

Стабилитрон «делит» ток с нагрузкой; чем больше потребляется нагрузкой, тем меньше проходит стабилитрон, и это одна из причин не очень стабильного регулирования напряжения с помощью стабилитронов. С другой стороны, стабилизатор напряжения IC потребляет от источника питания ток смещения, который почти постоянен независимо от нагрузки и входного напряжения и в большинстве случаев незначителен.
Вторая причина, и в то же время отличие от стабилизаторов напряжения IC, — это плохая температурная характеристика стабилитронов.Опять же, регуляторы напряжения IC зависят от температуры, и их выходное напряжение практически не зависит от температуры.


Зарегистрирован
17 декабря 2004 г.
Сообщения
155
Помог
14
Репутация
28
Оценка реакции
5
Трофейные очки
1,298
Расположение
Индия
Очки активности
1,523
Re: Регуляторы vs.Стабилитроны на стабилитронах

не столь стабильны, поскольку они работают как последовательный / шунтирующий переменный резистор без какой-либо обратной связи при изменении напряжения или температуры, а также при внезапных колебаниях напряжения питания.
Но IC Voltage учитывает все это при разработке микросхемы с петлей обратной связи.


    мидохамаки

    баллов: 2

    Полезный ответ Положительный рейтинг

Зарегистрирован
6 мая 2004 г.
Сообщения
114
Помог
16
Репутация
32
Оценка реакции
4
Трофейные очки
1,298
Расположение
Египет
Очки активности
1,078
Регуляторы vs.Стабилитрон

да, просто главное различие между стабилитроном и регулятором в том, что стабилитрон
: делит ток с нагрузкой, что делает нагрузку нестабильной. Регулятор
: изолирует нагрузку от источника, так что все, что когда-либо было рассчитано по напряжению нагрузки, не влияет на нагрузку ток в предельной полосе текущее значение самого регулятора


Зарегистрирован
2 декабря 2004 г.
Сообщения
759
Помог
106
Репутация
220
Оценка реакции
58
Трофейные очки
1 308
Очки активности
5 018
Регуляторы vs.Стабилитроны

Стабилитроны не могут обеспечить стабилизацию напряжения в широком диапазоне токов нагрузки, поэтому необходим стабилизатор напряжения.


Зарегистрирован
14 августа 2004 г.
Сообщения
161
Помог
7
Репутация
14
Оценка реакции
1
Трофейные очки
1,298
Расположение
Универсальный гражданин
Очки активности
1 977
Re: Регуляторы vs.Стабилитрон

Стабилитроны лучше использовать в схемах с очень низким энергопотреблением в качестве опорных напряжений или аналогичных схем.
Если вам нужно постоянное напряжение при высоких токах нагрузки, стабилитрон в качестве стабилизатора шунтирующего типа должен потреблять большое количество энергии. Это зря.
Также стабилизатор напряжения (микросхемы серии 78XX и т. Д.) Обеспечивают лучшую стабильность напряжения при более широком изменении нагрузки.


мхамед
Продвинутый уровень 4
Зарегистрирован
28 июля 2004 г.
Сообщения
114
Помог
10
Репутация
20
Оценка реакции
2
Трофейные очки
1,298
Очки активности
829
Регуляторы vs.Стабилитрон

с использованием стабилитрона или регулятора зависит от вашего приложения. когда вам нужно напряжение около фиксированного напряжения (например, вы хотите 6,2 вольт, но можете изменить событие на 6,8) и стабилитрон с ограниченным током — это хорошо и чип. но регуляторы из-за их характеристик обратной связи фиксируют напряжение (допуск даже ниже 0,1%) и более высокий ток, который они могут поддерживать, но дороже, чем стабилитрон.


Статус
Закрыто для дальнейших ответов.

Регулируемый источник питания. Заметка разработчика 33 — блог Mohan по электронике


Большинству схем КМОП требуется хорошо стабилизированный источник питания для правильной работы. Регулируемый источник питания — это источник постоянного тока, который обеспечивает постоянное напряжение и ток на выходе независимо от изменений на входе. Доступны различные типы методов регулирования мощности , в зависимости от использования и типа схемы.Здесь объясняются три конструкции регулируемых источников питания.

Самым простым типом регулируемого источника питания является регулируемый источник питания Zener . Понижающий трансформатор на 9 вольт используется для понижения напряжения переменного тока 230 вольт до низкого напряжения переменного тока, которое выпрямляется двухполупериодным выпрямителем, состоящим из D1 — D4. Результирующий постоянный ток сглаживается конденсатором C1. Светодиодный индикатор показывает состояние включения. 9 В постоянного тока регулируется до 5 В постоянного тока с помощью стабилитрона с номинальным напряжением 5,1 В.

Стабилитрон — это диод особого типа, который пробивается и проводит ток, когда напряжение превышает его номинальное напряжение, называемое «Напряжение пробоя или лавинное напряжение» .Например, если напряжение стабилитрона равно 5,1, он становится проводящим, когда напряжение в нем превышает 5,1 вольт. Затем он дает постоянный выходной сигнал 5,1 В до тех пор, пока входное напряжение не упадет ниже 5,1 В.

Для стабилитрона

требуется резистор, ограничивающий ток, чтобы ограничить ток через него. Номинал резистора R можно рассчитать по формуле

R = Vin — Vz / Iz

Где V, in — входное напряжение, Vz выходное напряжение и Iz ток через стабилитрон.

В большинстве цепей Iz поддерживается на уровне 5 мА . Если напряжение питания составляет 9 В, напряжение, которое должно быть понижено на R для получения выходного напряжения 5 В, равно 4 вольта . Если максимально допустимый ток Зенера составляет 30 мА, то R будет пропускать максимальный желаемый выходной ток плюс 5 мА. То есть 35 мА. Таким образом, значение R отображается как

.

R = 9 — 5/35 мА = 4/35 x 1000 = 114 Ом

Таким образом, выбирается ближайшее доступное значение 120 Ом .
Номинальная мощность стабилитрона также является важным фактором, который следует учитывать при выборе стабилитрона. По формуле
P = IV.
P — мощность в Вт, , I, ток в амперах и В, , напряжение.

Таким образом, максимальная рассеиваемая мощность, которая может быть допущена в стабилитроне, равна напряжению стабилитрона, умноженному на ток, протекающий через него. Например, если стабилитрон 5,1 В пропускает ток 5,1 В постоянного тока и 35 мА, его рассеиваемая мощность составит 175 Милливатт.Так что стабилитрона мощностью 400 мВт вполне достаточно.

Контур 2. Регулируемый источник питания с использованием регулятора напряжения IC

Некоторым надежным типом регулируемого источника питания является тот, который использует микросхему с регулируемым напряжением . Существует два типа ИС регулятора напряжения. Стабилизаторы положительного напряжения входят в серию 78XX и Стабилизаторы отрицательного напряжения серии 79XX . Они обеспечивают постоянное выходное напряжение в зависимости от их номинального напряжения.Например, 7805 дает 5 вольт, 7812 дает 12 вольт и т. Д. Его выходное напряжение остается постоянным до тех пор, пока входное напряжение не упадет ниже номинального. Для правильной работы ИС регулятора требуется напряжение на 2 или более вольт выше номинального. Например, 7805 требует входа 9 или 12 вольт, а 7812 требует 14 вольт или больше в качестве входа. ИС регулятора выдает на выходе максимальный ток 1 Ампер.

В схеме используется регулятор 7805 IC для выработки постоянного тока 5 В от источника питания трансформатора на 9 В.Конденсаторы C2 и C3 удаляют переходные процессы и шумы из выходного напряжения. Диод D5 защищает ИС в случае короткого замыкания на выходе. Этот диод пропускает ток короткого замыкания и предотвращает его попадание в ИС.
Конденсатор C4 действует как буфер для выходного напряжения.

Цепь 3. Сильноточный регулируемый источник питания.

Источники питания с стабилитронами и IC-регуляторами выдают ток не более 1 ампера. Если требуется большой ток, идеально подходит схема на основе транзистора .Здесь используется сильноточный NPN-транзистор 2N 3055 , чтобы обеспечить максимальный ток от трансформатора. Здесь используется трансформатор на 14 В и 2 Ампера. Стабилитрон на 12 В на базе Т1 регулирует выходное напряжение от Т1 до 12 В. Транзистор высокой мощности пропускает максимальный ток от своего эмиттера. 2N3055 требует радиатора, так как он нагревается при прохождении большого тока. Также можно использовать TIP 3055.


Нравится:

Нравится Загрузка…

Связанные

C12PH Datasheet PDF — 12 В, стабилитрон

Номер детали: C12PH

Функция: 12 В, 500 мВт, стабилитрон

Корпус: DO-41 (DO-204AL) Тип

Изготовители: Philips («ph» — означает произведенный Philips)

Изображение

Описание:

«C27» — означает 27 В, это последняя часть полного типа (например, BZX85C27, BZX55C27, BZX79C27 и т. Д. И т. Д.)

C12PH == BZX55C12, стабилитрон

Характеристики

1.Кремниевый планарный стабилитрон
2. Клеммы: под пайку в соответствии с MIL-STD-202, метод 208
3. Полярность: катодная лента
4. Маркировка: Типовой номер
5. Прибл. Вес: 0,13 грамма

C12PH Техническое описание PDF


Сообщения, связанные с «стабилитроном»

Каталожный номер Описание
1N4742 1 Вт 12 В, стабилитрон
1N3156 Стабилитрон 8,4 В — Microsemi
SA33A 500 Вт, стабилитрон
DL5250B 20 В, 500 мВт, кремниевый стабилитрон
MMSZ5242B 500 мВт, 12 В, стабилитрон
Ph5148 100 В, 200 мА, стабилитрон, выпрямитель
BZX55C5V1 5.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *