Стабилитрон: подробно простым языком
Стабилитрон — специальный диод, который способен работать в условиях обратного смещения в зоне пробоя без какого-либо ущерба для себя.
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.
Принцип действия стабилитрона
График напряжение-ток для стабилитрона похож на график напряжение-ток для P-N перехода обычного диода.
Когда стабилитрон имеет прямое смещение, то, также, как и в любом обычном диоде, ток, проходящий через него, возрастает при увеличении подаваемого напряжения. Когда же стабилитрон имеет обратное смещение, то ток бывает минимальным до того момента, пока подаваемое напряжение не достигнет значения напряжения пробоя для данного диода. Когда такое напряжение достигается, то происходит значительное увеличение протекающего тока. Однако, в отличие от обычного диода, стабилитрон предназначен для работы в условиях обратного смещения в зоне пробоя.
Напряжение стабилитрона
Необходимое напряжение стабилитрона — это то напряжение, при котором происходит пробой. В процессе изготовления стабилитрона, к основным исходным материалам добавляют определенное количество других материалов, присадок, так что во время работы данного прибора пробой происходит при совершенно конкретном значении напряжения.
Если подаваемое на стабилитрон напряжение превышает установленное для него напряжение пробоя на достаточно большую величину, то тепло, которое сопровождает прохождение через стабилитрон чрезмерного тока, может вызывать серьезные повреждения. Для того, чтобы предотвратить подобные неприятности, цепи со стабилитроном обычно имеют установленный последовательно резистор, который должен ограничивать величину тока, протекающего через стабилитрон. Если выбрано правильное значение сопротивления, то ток в цепи не будет превышать максимальное значение тока для стабилитрона.
Если же подаваемое напряжение меньше, того, на которое рассчитан стабилитрон, то сопротивление протеканию тока будет значительным и этот диод будет оставаться в основном в разомкнутом состоянии, однако, когда подаваемое напряжение станет равно или превысит расчетное напряжение стабилитрона, то сопротивление тока окажется преодоленным, и ток потечет через стабилитрон и по цепи.
При различных значениях напряжения выше напряжения стабилитрона, изменение внутреннего сопротивления возникает в результате изменений обедненной области прибора. В результате этого падение напряжения на стабилитроне будет относительно постоянным. Падение напряжения должно поддерживаться на уровне, близком к значению напряжения стабилитрона. Остальное напряжение источника электропитания понижается на последовательно подключенном резисторе.
Поскольку напряжение на стабилитроне значительно превышает напряжения стабилитрона, то цепь, которую мы только что описали, может быть использована для обеспечения подачи регулируемого напряжения на нагрузку. Если нагрузка включена параллельно со стабилитроном, то падение напряжение на нагрузке будет равно падению напряжения на стабилитроне.
Как обозначается стабилитрон на схеме
Определение стабилитрона
Стабилитроном является специальный диод, работающий в режиме пробоя. При достижении напряжения пробоя обратный ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление в области пробоя (отношение изменения тока к вызвавшему это изменение изменению напряжения) составляет единицы-сотни Ом. Если внешнее сопротивление цепи существенно больше динамического сопротивления стабилитрона, то достигается эффект стабилизации напряжения. В международной практике стабилитрон называют диодом Зенера (zener diode).
Условное обозначение стабилитрона представлено на рисунке ZD.1.
Функциональное назначение стабилитрона
Стабилитроны используются в следующих приложениях:
— стабилизаторы напряжения и источники опорного напряжения;
— схемы сдвига уровня напряжения.
Типы стабилитронов
Полупроводниковые стабилитроны разделяются на несколько подклассов:
— стабилитроны малой мощности (менее 1 Вт);
— силовые стабилитроны (1-5 Вт и выше);
— прецизионные стабилитроны (термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой);
— суппрессоры (TVS-диоды) – специализированные быстродействующие и мощные стабилитроны, предназначенные для защиты от перенапряжений.
Вольтамперная характеристика стабилитрона
В отличие от диода основной рабочий участок стабилитрона приходится на область пробоя (куда обычный диод вводить никак нельзя) – рисунок ZD.2. Базовая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне представлена на рисунке ZD.3.
Основные параметры стабилитронов
1. Напряжение стабилизации (Nominal Zener Voltage или Regulator Voltage) VZ – напряжение соответствующее напряжению пробоя обратной ветви стабилитрона. Указывается при определенном токе IZT.
2. Максимальная рассеиваемая мощность (Power Dissipation) Pd – определяется размером кристалла и конструкцией корпуса.
В режиме пробоя на стабилитроне выделяется мощность, равная произведению напряжения пробоя, называемом напряжением стабилизации VZ и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него IZT:
Максимально допустимое значение PVS называют максимальной мощностью стабилитрона PVS_max. Максимальная рассеиваемая мощность зависит от температуры окружающей среды – с ростом температуры она уменьшается (эти зависимости представлены в справочных листах).
3. Максимальный рабочий ток (Maximum Zener Current) IZM – определяется исходя из напряжения стабилизации и рассеиваемой мощности:
Импульсный ток через стабилитрон может существенно превышать стационарное значение. В справочных листах обычно приводятся данные по максимальному значению импульсного тока в зависимости от длительности импульса. Иногда в справочных листах приводят значение тестового тока (Test Current) IZT при котором собственно и измеряется номинальное напряжение стабилизации VZ.
4. Дифференциальное сопротивление стабилитрона (Zener Impedance) ZZ есть отношение приращения напряжения в режиме пробоя к приращению тока в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации. Определяет «нестабильность стабилизации» напряжения в зависимости от тока. В справочных листах обычно приводят динамическое сопротивление при номинальном (иногда максимальном – Maximum Dynamic Impedance) токе и при малом токе (в начале ветви режима пробоя). С ростом тока динамическое сопротивление резко уменьшается. В справочных листах приводят два значения импеданса: ZZT — импеданс при тестовом токе (Test Current IZT) и IZK — импеданс при некотором значении тока существенно меньшем IZT и соответствующем точке перегиба ВАХ (Maximum Dynamic Knee Impedance). Knee – колено.
5. Емкость стабилитрона в режиме обратного смещения. В области малых значений напряжений стабилизации и малых обратных смещений может достигать существенных величин в сотни пикофарад, что необходимо учитывать при проектировании динамических схем ограничения напряжения.
6. Максимальный импульсный ток (Max Surge Current) IZM – максимальный импульсный непериодический ток стабилитрона определяемый энергией рассеяния кристалла. Указывается при заданной длительности импульса.
7. Максимальный обратный ток утечки (Maximum Reverse Leakage Current) IR – ток, протекающий через стабилитрон при некотором обратном напряжении VR не превышающем напряжение стабилизации (обычно в справочных листах указывают ток утечки при VRсоставляющем около 70% от VZ).
8. Падение напряжение прямого смещения (Forward Voltage) VF – падение напряжения при прямом токе через стабилитрон (в режиме диода). Указывается при некотором значении тока и обычно составляет величину порядка 1,2-1,5 В.
9. Температурный коэффициент (Temperature Coefficient) – показывает относительное изменение напряжения стабилизации с изменением температуры %/°C.
10. Максимальный диапазон напряжения стабилизации (Maximum Voltage Regulation) ΔVZ– диапазон напряжения, соответствующий ширине участка ВАХ в области участка стабилизации. То есть насколько изменится напряжение на стабилитроне при изменении тока от величины соответствующей началу пробоя до максимального значения.
9. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance Junction to Ambient) RθJA – тепловое сопротивление между кристаллом стабилитрона и окружающей средой. Зависит от длины выводов стабилитрона. Чем ближе к плате – тем лучше.
10. Точность, характеризующая разброс по величине напряжения стабилизации.
Последовательное включение стабилитронов
Последовательное соединение стабилитронов одной серии используется:
— с целью увеличения напряжения стабилизации;
— с целью увеличения максимальной мощности стабилизации.
Последовательное соединение стабилитронов одной серии является традиционным способом повышения рабочего напряжения и получения напряжения стабилизации с номиналом, отличающимся от номиналов серийно выпускаемых стабилитронов.
Параллельное соединение стабилитронов не используется из-за рассогласования вольт-амперных характеристик в процессе работы.
Стабилитрон
Много-много лет тому назад такого слова как стабилитрон не существовало вообще. Тем более в бытовой аппаратуре.
Попробуем представить себе громоздкий ламповый приёмник середины двадцатого века. Многие приносили их в жертву собственному любопытству, когда папа с мамой приобретали что-нибудь новое, а «Рекорд» или «Неман» отдавали на растерзание .
Блок питания лампового приёмника был предельно прост: мощный кубик силового трансформатора, который обыкновенно имел всего две вторичных обмотки, диодный мостик или селеновый выпрямитель, два электролитических конденсатора и резистор на два ватта между ними.
Первая обмотка питала накал всех ламп приёмника переменным током и напряжением 6,3V (вольт), а на примитивный выпрямитель приходило порядка 240V для питания анодов ламп. Ни о какой стабилизации напряжения и речи не шло. Исходя из того, что приём радиостанций вёлся на длинных, средних и коротких волнах с очень узкой полосой и ужасным качеством, наличие или отсутствие стабилизации напряжения питания на это качество совершенно не влияло, а приличной автоподстройки частоты на той элементной базе просто быть не могло.
Стабилизаторы в то время применялись только в военных приёмниках и передатчиках, конечно тоже ламповые. Например: СГ1П – стабилизатор газоразрядный, пальчиковый. Так продолжалось до тех пор, пока не появились транзисторы. И тут выяснилось, что схемы, выполненные на транзисторах очень чувствительны к колебаниям питающего напряжения, и обыкновенным простым выпрямителем уже не обойтись. Используя физический принцип, заложенный в газоразрядных приборах, был создан полупроводниковый стабилитрон реже называемый диод Зенера.
Графическое изображение стабилитрона на принципиальных схемах.
Внешний вид стабилитронов. Первый сверху в корпусе для поверхностного монтажа. Второй сверху – в стеклянном корпусе DO-35 и мощностью 0,5 Вт. Третий, – мощностью 1 Вт (DO-41). Естественно, стабилитроны изготавливают в разнообразных корпусах. Иногда в одном корпусе объединяется два элемента.
Принцип работы стабилитрона.
Прежде всего, не следует забывать, что стабилитрон работает только в цепях постоянного тока. Напряжение на него подают в обратной полярности, то есть на анод стабилитрона будет подан минус «-«. При таком включении через него протекает обратный ток (I обр) от выпрямителя. Напряжение с выхода выпрямителя может изменяться, будет изменяться и обратный ток, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется неизменным, то есть стабильным. На следующем рисунке показана вольт-амперная характеристика стабилитрона.
Стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ (Вольт-Амперной Характеристики), как показано на рисунке. К его основным параметрам относятся U ст. (напряжение стабилизации) и I ст. (ток стабилизации). Эти данные указаны в паспорте на конкретный тип стабилитрона. Причём величина максимального и минимального тока учитывается только при расчёте стабилизаторов с прогнозируемым большим изменением напряжения.
Основные параметры стабилитронов.
Для того чтобы подобрать нужный стабилитрон необходимо разбираться в маркировках полупроводниковых приборов. Раньше все типы диодов, включая и стабилитроны, обозначались буквой “Д” и цифрой определяющей, что же это за прибор. Вот пример очень популярного стабилитрона Д814 (А, Б, В, Г). Буква показывала напряжение стабилизации.
Рядом паспортные данные современного стабилитрона (2C147A), который использовался в стабилизаторах для питания схем на популярных сериях микросхем К155 и К133 выполненных по ТТЛ технологии и имеющих напряжение питания 5V.
Чтобы разбираться в маркировках и основных параметрах современных отечественных полупроводниковых приборов необходимо немного знать условные обозначения. Они выглядят следующим образом: цифра 1 или буква Г – германий, цифра 2 или буква К – кремний, цифра 3 или буква А – арсенид галлия. Это первый знак. Д – диод, Т – транзистор, С – стабилитрон, Л – светодиод. Это второй знак. Третий знак это группа цифр обозначающих сферу применения прибора. Отсюда: ГТ 313 (1Т 313) – высокочастотный германиевый транзистор, 2С147 – кремниевый стабилитрон с номинальным напряжением стабилизации 4,7 вольта, АЛ307 – арсенид-галлиевый светодиод.
Вот схема простого, но надёжного стабилизатора напряжения.
Между коллектором мощного транзистора и корпусом подается напряжение с выпрямителя и равное 12 – 15 вольт. С эмиттера транзистора мы снимаем 9V стабилизированного напряжения, так как в качестве стабилитрона VD1 мы используем надёжный элемент Д814Б (см. таблицу). Резистор R1 – 1кОм, транзистор КТ819 обеспечивающий ток до 10 ампер.
Транзистор необходимо разместить на радиаторе-теплоотводе. Единственный недостаток данной схемы – это невозможность регулировки выходного напряжения. В более сложных схемах подстроечный резистор, конечно, имеется. Во всех лабораторных и домашних радиолюбительских источниках питания есть возможность регулировки выходного напряжения от 0 и до 20 – 25 вольт.
Интегральные стабилизаторы.
Развитие интегральной микроэлектроники и появление многофункциональных схем средней и большой степени интеграции, конечно, коснулось и проблем связанных со стабилизацией напряжения. Отечественная промышленность напряглась и выпустила на рынок радиоэлектронных компонентов серию К142, которую составляли как раз интегральные стабилизаторы. Полное название изделия было КР142ЕН5А, но так как корпус был маленький и название не убиралось целиком, стали писать КРЕН5А или Б, а в разговоре они назывались просто «кренки».
Сама серия была достаточно большая. В зависимости от буквы варьировалось выходное напряжение. Например, КРЕН3 выдавал от 3 до 30 вольт с возможностью регулировки, а КРЕН15 был пятнадцативольтовым двухполярным источником питания.
Подключение интегральных стабилизаторов серии К142 было крайне простым. Два сглаживающих конденсатора и сам стабилизатор. Взгляните на схему.
Если есть необходимость получить другое стабилизированное напряжение, то поступают следующим образом: допустим, мы используем микросхему КРЕН5А на 5V, а нам нужно другое напряжение. Тогда между вторым выводом и корпусом ставится стабилитрон с таким расчётом, чтобы сложив напряжение стабилизации микросхемы, и стабилитрона мы получили бы нужное напряжение. Если мы добавим стабилитрон КС191 на V = 9,1 + 5V микросхемы, то на выходе мы получим 14.1 вольт.
Что такое стабилитрон
Стабилитрон — это специальный полупроводниковый диод, работающий в режиме пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения. В зарубежной литературе стабилитрон называют диодом Зенера (Zener diode), по имени Кларенса Зенера, который открыл один из механизмов электрического пробоя. Вообще существует тунельный, лавинный и тепловой пробои. На первых двух стабилитроны работают, а от последнего они выходят из строя. Но о пробоях мы рассуждать не будем, нам нужно понять, что такое стабилитрон, каков принцип его работы и как его можно использовать.
Обозначение стабилитрона
На электрических схемах стабилитрон обозначается символом диода с небольшой закорючкой у катода и буквенным обозначением VD.
Также существуют другие варианты обозначений стабилитрона, которые используются на зарубежных схемах.
Как видно из рисунка, у стабилитрона два вывода — это катод и анод. Следовательно, есть всего два варианта его включения:
— включение в прямом направлении, когда анод подключается к плюсу питания, а катод к минусу,
— включение в обратном направлении, когда анод подключается к минусу питания, а катод к плюсу.
В прямом включении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а вот в обратном включении в стабилитроне возникает тот самый пробой. Чтобы понять, что при этом происходит, давайте посмотрим на вольтамперную характеристику стабилитрона.
Как работает стабилитрон
Правая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено напряжение в прямом направлении. Левая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено обратное напряжение. Похожа на характеристику диода, но пробой (участок, где загибается график) у стабилитрона наступает гораздо раньше диода. Нас интересует левая часть графика.
Вот мы подключили стабилитрон к источнику питания в обратном направлении и начинаем медленно повышать напряжение. Пока приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, оно растет, через стабилитрон течет незначительный ток утечки Io (микроамперы, а то и меньше), пробоя нет. На этом участке стабилитрон ведет себя как резистор с очень большим сопротивлением.
В какой-то момент ток начнет возрастать, а напряжение замедлит свой рост — это значит что возникает начальная стадия пробоя стабилитрона. Его сопротивление падает, что можно наблюдать по «загибанию» вольтамперной характеристики.
При дальнейшем повышении напряжения источника питания, ток через стабилитрон будет увеличиваться значительно, а напряжение нет. Стабилитрон ведет себя как резистор с маленьким сопротивлением. Это рабочий участок характеристики, где напряжение на стабилитроне, грубо говоря, постоянно.
Снова повышаем напряжение, ток продолжает расти, стабилитрон начинает греться. Когда ток превысит максимально допустимое значение, стабилитрон перегреется и выйдет из строя.
Если не доводить дело до теплового пробоя, а снизить напряжение до нуля — вольтамперная характеристика повторится в обратном направлении.
Параметры стабилитрона
Какие параметры характеризуют стабилитрон? Базовые параметры — это напряжение стабилизации, минимальный ток стабилизации и мощность рассеяния.
Напряжение стабилизации Uст (в зарубежной литературе Uz, zener voltage) — это, грубо говоря, рабочее напряжение стабилитрона. А если по умному, то это напряжение на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации.
Как правило, стабилитроны одного типа имеют небольшой разброс напряжения стабилизации, поэтому в документации указывается минимальное, номинальное и максимальное напряжение стабилизации при заданной температуре и токе.
Минимальный ток стабилизации Iст мин (Iz) — величина тока, при которой стабилитрон «выходит» на свой рабочий участок вольтамперной характеристики. По сути, это точка с которой начинается «излом» характеристики.
Мощность рассеяния стабилитрона P — параметр определяющий максимально допустимый ток стабилитрона. Если принять, что напряжение на стабилитроне в рабочем режиме не меняется, то максимальный ток можно вычислить как P/Uст. Также можно прикинуть максимальный ток в прямом направлении P/Uf = P / 0,7. Мощность рассеяния стабилитрона зависит от его конструкции корпуса (и площади p-n перехода). Обычно этот параметр указывается в разделе «absolute maximum ratings».
Схема включения стабилитрона
Типовая схема включения стабилитрона — это схема простого стабилизатора напряжения. Она включает в себя стабилитрон и резистор для ограничения тока (источник питания и нагрузка на схеме не нарисована). На вход схемы подается нестабилизированное постоянное напряжение большее напряжения стабилизации на несколько вольт, на выходе схемы получается стабилизированное напряжение равное Uz (напряжению стабилизации) используемого стабилитрона.
Такой стабилизатор напряжения можно использовать для питания мало потребляемых схем, потому что из-за резистора он не способен «отдать» в нагрузку большой ток.
Как видно из рисунка, входной ток распределяется между стабилитроном и нагрузкой. Если нагрузка не потребляет ток, стабилитрон «забирает» весь ток на себя, и при большом его значении может перегореть. Если ток нагрузки становиться большим, то стабилитрону «достается» меньше току, напряжение на нем падает и он уже не может выполнять свои функции.
Номинал резистора R1 рассчитывается по формуле:
R = (Uin — Uz)/(Iz + I)
где Uin — входное напряжение (В),
Uz — номинальное напряжение стабилизации (В),
Iz — ток стабилитрона (А),
I — ток нагрузки (А).
Ток стабилитрона Iz нужно выбирать между минимальным и максимальным значениями, исходя из изменений входного напряжения и тока нагрузки. Минимальный ток стабилизации задается в документации, а максимальный ток можно посчитать из максимальной рассеиваемой мощности.