Как работает стабилитрон

Немного теории

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-). Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое «стабильность». На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный — это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа радиоэлектронной аппаратуры. Если оно изменится в меньшую, или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать «играющее» напряжение.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с «кепочкой» называется также как и у диода — катод, а другой вывод — анод.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева популярный вид современного стабилитрона, а справа один из образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона — это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это понятно и дошкольнику.

Теперь по аналогии с электроникой. Стакан — это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане — это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один — лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники — кувшин обладает «напряжением» больше, чем «напряжение» стакана.

Так вот, дорогие читатели, в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит, напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 — это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта. Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

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

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

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

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

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

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

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

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

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

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

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

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

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

Iпр — прямой ток, А

Uпр — прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр — обратное напряжение, В

Uст — номинальное напряжение стабилизации, В

Iст — номинальный ток стабилизации, А

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

Imax — максимальный ток стабилитрона, А

Imin — минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin — это сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного. Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации ;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

Можете посмотреть видео на тему «КАК РАБОТАЕТ СТАБИЛИТРОН (ДИОД ЗЕНЕРА)», рекомендую.

Источник

Стабилитрон или диод Зенера

Принцип действия стабилитрона

Принцип работы прибора заключается в подаче на диод через резистор запирающего напряжения, величина которого превышает величину напряжения пробоя самого диода. До того времени, пока не наступил момент совершения пробоя, через стабилитрон идут токи утечки величина, которых очень незначительна, в тоже время сопротивление прибора очень высокое.

В момент совершения пробоя величина тока резко повысится, а значение дифференциального сопротивления понизится до самых малых величин. Благодаря этому свойству режим пробоя характеризуется стабильным значением напряжения в широких границах обратного тока. Иными словами стабилитрон служит для распределения тока резистора, на который приходится избыток напряжения, а также тока, составляющего полезную нагрузку.

Рис. №1. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона. Для работы стабилитрона используются участки ВАХ, на которых при существенных изменениях тока, напряжение практически не изменяется, что бывает при обратном подключении прибора на участке электрического пробоя.

Рис.№2. Стабилитрон с резистором

Рис. №3. Стабилитрон, состоящий из двух последовательно-встречно подключенных диодов, служит для ограничения напряжения обеих полярностей.

Основа действия прибора строится на двух механизмах – это туннельный пробой и p-n-переход, его называют эффект Зенера и лавинный пробой p-n-перехода.

Основные электрические параметры, характеризующие стабилитрон

Рис. №4. Электрические характеристики важные для стабилитрона.

Пояснение главных величин, которые характеризуют стабилитрон:

Типы стабилитронов

Существует три основных типа стабилитронов:

Распределение по мощности – это мощные и маломощные стабилитроны.

Особенности использования стабилитронов

Для использования стабилитронов, особенно российских производителей не желательна работа вне зоны пробоя, что является следствием повышения, со временем, тока утечки. Например, на стабилитрон рассчитанный на U15 В, не рекомендуется подавать отличное от расчетного значение напряжения, по крайней мере необходимо следить за минимальным током стабилизации.

Во время неудачного разброса напряжений, при выборе его к предельному значению, может произойти перегрев устройства и возникает режим пробоя.

Нежелательно подключать стабилитроны в сеть в качестве предохранителя, последствия для стабилитрона будут плачевны, при превышении значения тока они выйдут из строя. Для защиты лучше всего использовать, в некоторых случаях, специализированные стабилитроны (супрессоры) марки ZY5.6. Установка стабилитрона (диода Зенера) в цепь низковольтного питания крайне нежелательно из того, что туннельный пробой при U обладает отрицательным температурным коэффициентом.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Источник

Как работает стабилитрон

Диод Зенера или стабилитрон (полупроводниковый стабилитрон) представляет собой особый диод, функционирующий в режиме устойчивого пробоя в условиях обратного смещения p-n перехода. До момента наступления этого пробоя, ток через стабилитрон протекает лишь очень малый, ток утечки, в силу высокого сопротивления запертого стабилитрона.

Но когда наступает пробой, ток мгновенно вырастает, поскольку дифференциальное сопротивление стабилитрона составляет в этот момент от долей до сотен Ом. Таким образом, напряжение на стабилитроне весьма точно поддерживается в определенном диапазоне обратных токов, относительно широком.

Стабилитрон называют диодом Зенера (от англ. Zener diode) в честь ученого, впервые открывшего явление туннельного пробоя, американского физика Кларенса Мэлвина Зенера (1905 — 1993).

Открытый Зенером электрический пробой p-n перехода, связанный с туннельным эффектом, явлением просачивания электронов сквозь тонкий потенциальный барьер, называется теперь эффектом Зенера, который и служит сегодня в полупроводниковых стабилитронах.

Физическая картина эффекта заключается в следующем. При обратном смещении p-n перехода энергетические зоны перекрываются, и электроны могут переходить из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области, благодаря электрическому полю, это повышает количество свободных носителей заряда, и обратный ток резко возрастает.

Таким образом, главным назначением стабилитрона является стабилизация напряжения. Промышленностью выпускаются полупроводниковые стабилитроны с напряжениями стабилизации от 1,8 В до 400 В, большой, средней и малой мощности, которые отличаются максимально допустимым обратным током.

На этой базе изготавливают простые стабилизаторы напряжения. На схемах стабилитроны обозначаются символом похожим на символ диода, с тем лишь отличием, что катод стабилитронов изображается в форме буквы «Г».

Стабилитроны скрытой интегральной структуры, с напряжением стабилизации около 7 В — это самые точные и стабильные твердотельные источники опорного напряжения: лучшие их экземпляры характеристически близки к нормальному гальваническому элементу Вестона (эталонный ртутно-кадмиевый гальванический элемент).

К стабилитронам особого типа относятся высоковольтные лавинные диоды («TVS-диоды» и «супрессоры»), которые широко применяются в цепях защиты от перенапряжений всевозможной аппаратуры.

Как видим, стабилитрон, в отличие от обычного диода, работает на обратной ветви ВАХ. В обычном диоде, если к нему приложить обратное напряжение, может возникнуть пробой по одному из трех путей (или по всем сразу): туннельный пробой, пробой лавинный и пробой вследствие теплового разогрева токами утечки.

Тепловой пробой кремниевым стабилитронам не важен, ибо они проектируются так, чтобы или туннельный, или лавинный пробой, либо оба типа пробоя одновременно наступали задолго до тенденции к тепловому пробою. Серийные стабилитроны на данный момент изготавливаются преимущественно из кремния.

Пробой при напряжении ниже 5 В — проявление эффекта Зенера, пробой выше 5 В — проявление лавинного пробоя. Промежуточное напряжение пробоя около 5 В, как правило, является результатом сочетания двух этих эффектов. Напряженность электрического поля в момент пробоя стабилитрона составляет около 30 МВ/м.

Пробой стабилитрона происходит в умеренно легированных полупроводниках р-типа и сильно легированных полупроводниках n-типа. При повышении температуры на стыке уменьшается срыв стабилитрона и вклад лавинного пробоя увеличивается.

Стабилитроны имеют следующие типичные характеристики. Vz – напряжение стабилизации. В документации указываются два значения для этого параметра: максимальное и минимальное значение напряжения стабилизации. Iz – минимальный ток стабилизации. Zz – сопротивление стабилитрона. Izk и Zzk– ток и динамическое сопротивление при постоянном токе. Ir и Vr — максимальный ток утечки и напряжение при заданной температуре. Tc — температурный коэффициент. Izrm — максимальный ток стабилизации стабилитрона.

Стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений (опорных напряжений) в стабилизаторах на транзисторах.

Максимальная рассеиваемая корпусом стабилитрона мощность, обычно лежит в диапазоне от 0,125 до 1 ватта. Этого, как правило, достаточно для нормальной работы цепей защиты от импульсных помех и для построения маломощных стабилизаторов.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Стабилитрон. Принцип работы, вольт-амперная характеристика.

После изучения диодов, их принципа работы и устройства самым логичным шагом будет рассмотреть и еще один полезнейший элемент многих электрических схем — стабилитрон! Также его называют диодом Зенера, в честь физика Кларенса Зенера, которому и принадлежит гордое звание изобретателя стабилитрона. В 1930-х годах Зенер изучал явления электрического пробоя в диэлектриках, результаты его исследований и легли в основу работы диодов Зенера.

Стабилитрон — это диод, который предназначен для работы на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в режиме пробоя. Как вы помните, рабочая область обычного диода находится наоборот на прямой ветви. Я уже упомянул термин «пробой», так что давайте разберемся подробнее с этим явлением…

Итак, различают три типа или механизма пробоя:

Именно первый тип пробоя и открыл К. Зенер в своих работах. Туннельный пробой связан, в свою очередь, с туннельным эффектом, то есть явлением проникновения электронов через узкий потенциальный барьер на границе p-n перехода. Это приводит к тому, что электроны начинают проходить из p-области в область n-типа, что, в свою очередь, вызывает резкое возрастание обратного тока через p-n переход.

Лавинный пробой связан с тем, что движущиеся в сильном электрическом поле частицы могут приобретать кинетическую энергию, величины которой достаточно для ударной ионизации молекул или атомов материала. То есть электрон или дырка, разогнавшись, сталкиваются с атомом вещества, в результате чего образуется пара противоположно заряженных частиц. Все это становится возможным, если кинетическая энергия этих частиц до столкновения имела достаточную величину. Так вот, в итоге, образовавшиеся частицы (либо одна из них) также начинают разгоняться под действием сильного поля и также врезаются в атом материала 🙂 В итоге весь процесс повторяется снова и снова, как лавина, собственно, из-за этого пробой и получил свое название.

Тепловой же пробой куда более прозаичен. Из-за увеличения обратного напряжения p-n переход нагревается и затем разрушается. В отличие от туннельного и лавинного пробоя, которые являются обратимыми, тепловой пробой — необратим.

На обратимости механизмов пробоя, в общем-то, и строится принцип работы стабилитрона. Именно ситуация, при которой он находится в состоянии лавинного или туннельного пробоя, и является для диода Зенера рабочей! Из этого же вытекает и основное отличие стабилитрона от обычного диода. Стабилитрон проектируется таким образом, чтобы туннельный, либо лавинный, либо оба этих типа пробоя возникали гарантированно и задолго до того, как в устройстве возникнет тепловой пробой (ведь тепловой пробой просто выведет элемент из строя — окончательно и бесповоротно).

Принято считать, что разным механизмам пробоя соответствуют величины обратных напряжений:

Все эти характеристики стабилитрона можно изобразить следующим образом:

Тут стоит отметить два важных нюанса. Во-первых, эти значения не являются строго точными. Для разных диодов, разных способов изготовления, величины могут быть другими. Но, в целом, идея неизменна — существует некая область, в пределах которой оба механизма пробоя сосуществуют вместе. Второй интересный момент заключается в том, что температурный коэффициент лавинного и туннельного пробоя имеют разные знаки:

Итак, мы разобрались с принципом работы стабилитрона, протекающими процессами и с тем, что рабочий режим диода Зенера лежит в области обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона:

При увеличении обратного напряжения в определенный момент наступает пробой и ток через стабилитрон резко возрастает. При этом напряжение напротив остается практически неизменным, то есть стабилизированным. В этом и заключается идея использования стабилитронов в электрических цепях 🙂

На схеме я отдельно выделил несколько точек, давайте по ним пробежимся:

Каждому из этих значений тока соответствует определенное значение напряжения, которое также указывается в справочнике/документации на конкретный элемент.

Теперь для наглядной демонстрации рассмотрим практический пример схемы со стабилитроном. Кстати на принципиальных электрических схемах он обозначается следующим образом:

А так выглядит базовая схема, в отличие от диода полярность включения стабилитрона обратная:

Выберем какой-нибудь конкретный экземпляр, например, 1N4733A. Его характеристики приведены ниже:

Итак, начинаем подавать на вход напряжение:

Как видите, подаваемое напряжение не превышает напряжение стабилизации, поэтому на выходе наблюдаем то же значение, что и на входе. Увеличиваем напряжение:

И здесь уже ситуация меняется, стабилитрон начинает выполнять свою работу! Поднимаем напряжение еще выше:

Стабилизация напряжения налицо! Вот, в общем-то, мы наглядно проверили принцип работы стабилитрона, теоретические аспекты которого изучили ранее 🙂

На этом заканчиваем сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание!

Источник