Диод зенера что это: Диод Зенера | это… Что такое Диод Зенера?

Стабилитрон или диод Зенера — подробное описание

Полупроводниковый прибор, каким является диод Зенера или как его еще называют стабилитрон, служит для стабилизации напряжения на выходе.

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:

• Стабилизирующее напряжение – U раб, оно соответствует средней точке в месте стабилизации.
  Напряжение стабилизации – средняя величина между минимальным и предельно-максимальным значением стабилизируемого напряжения.
• Минимальный ток стабилизации, для этого значения осуществляется лавинный пробой p-n-перехода обратимого действия, он неизменно соответствует минимальному значению стабилизируемого напряжения.
• Максимальный предельно-допустимый ток стабилитрона.
• Ток стабилизации или прямой ток, он определяется, как – Iст.ном = Imax – Imin. (он способен выдержать в течение продолжительного отрезка времени p-n-переход без термического разрушения.
• Температурный коэффициент – величина, которая служит для определения отношения изменяющейся температуры окружающей среды при токе неизменной величины. Для каждого типа стабилитрона свойствен свой коэффициент температуры.
• Дифференциальное сопротивление – величина, которая зависит от приращения стабилизационного напряжения к приращению тока в определенном диапазоне частоты.
• Рассеиваемая мощность – величина мощности, обеспечивающей необходимую надежность и рассеиваемую на стабилитроне.

 

Типы стабилитронов

Существует три основных типа стабилитронов:

1. Прецизионные стабилитроны – для них свойственно наличие повышенной стабильности напряжения. Пример: 2С191 или КС211.
2. Двухсторонние – ограничивают и стабилизируют двухполярное напряжение. Пример: 2С170А или 2С182А.
3. Быстродействующий стабилитрон – пониженная величина барьерной емкости и небольшая работа переходного процесса – это делает возможным работать в области кратковременных импульсов напряжений. Это такие стабилитроны: 2С175Е; КС182Е; 2С211Е.

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.

Стабилитрон (Диод Зенера) — Принцип работы, ВАХ, сфера применения

Содержание:

Стабилитрон – это особый тип диодов, которые также называются зенеровскими. У этого типа есть главная особенность – при подаче напряжения, выше определенного номинала, увеличивается ток на выходе. Диод Зенера, который имеет и другое название – стабилитрон, имеет вид диода, который работает в режиме пробоя обратного смещения перехода. До этого, через него проходит небольшой ток, а утечка очень маленькая, что обуславливается большим сопротивлением.

При пробое, номинал тока моментально возрастает, так как его сопротивление в данный отрезок времени несколько долей Ом. В статье изложены принцип работы, где используются и какие функции они выполняют в современной радиоэлектронике. По теме диодов Зенера в статье представлены два интересных видеоролика и подробная научная статья бонусом для читателя.

Диоды Зенера или стабилитрона.

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).

Стабилитрон.

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.

Стабилитрон на схеме.

Характеристики диода Зенера

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.

[stextbox id=’info’]Стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений (опорных напряжений) в стабилизаторах на транзисторах. Для получения малых образцовых напряжений стабилитроны включают и в прямом направлении, как обычные диоды, тогда напряжение стабилизации одного стабилитрона будет равно 0,7 – 0,8 вольт.[/stextbox]

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.

Материал в тему: устройство подстроечного резистора.

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.

Устройство полупроводникового диода.

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.

Материал по теме: Что такое реле контроля.

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.  Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности. 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:

Обозначение стабилитрона.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

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

где:

• Iпр– прямой ток, А
• Uпр – прямое напряжение, В
• Эти два параметра в стабилитроне не используются
• Uобр– обратное напряжение, В
• Uст– номинальное напряжение стабилизации, В
• Iст – номинальный ток стабилизации, А
• Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором  возможна долгосрочная работа радиоэлемента.
• Imax– максимальный ток стабилитрона, А
• Imin– минимальный ток стабилитрона, А
• Iст, Imax, Imin– это  сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а  диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником. Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр  у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит  такая интересная штука,  как пробой. Короче говоря,  он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока  в стабилитроне. Самое  главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax, иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим,  при котором сила тока через стабилитрон  находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением.   На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Стабилитрон.

Заключение

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

В статье разобраны все аспекты работы стабилитрона. Более детальную информацию можно узнать в статье Лабораторная работа по диодам Зенера. Более подробно об этом можно узнать, прочитав статью Что такое генератор Ганна.В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.electricalschool.info

www.ruselectronic.com

www.ustroistvo-avtomobilya.ru

Предыдущая

ПолупроводникиЧто такое варикап?

Следующая

ПолупроводникиЧто такое фотодиод

Что такое стабилитрон и как он работает? -…

Опубликовано 11 декабря 2019 г.

Вы когда-нибудь задумывались, почему мы используем стабилитрон в обратном смещении, в отличие от обычных диодов, которые работают в прямом смещении? Это связано с тем, что стабилитроны предназначены для «ломки». Большинство из нас знакомы с универсальными и выпрямительными диодами. Однако существует несколько других типов диодов, которые предназначены для специальных целей. Одним из них является диод Зенера. Итак, что такое стабилитрон и чем он отличается от обычного диода?

Что такое диод Зенера?

Зенеровский диод представляет собой кремниевый pn соединительный элемент, который позволяет току течь не только в прямом направлении, как типичный кремниевый или германиевый диод, но также и в обратном направлении, если напряжение превышает напряжение пробоя, известное как Напряжение колена Зенера или просто Напряжение Зенера , названное в честь Кларенса Мелвина Зенера, первооткрывателя этого электрического свойства.

Схематический символ обычного диода имеет прямую линию, обозначающую катод, а стабилитрон имеет изогнутую линию, напоминающую букву Z (Zener). Это имеет большой смысл, верно?

Как работает стабилитрон?

Стабилитроны действуют как обычные диоды при прямом смещении. Однако они предназначены для того, чтобы позволить току течь в обратном направлении, когда обратное напряжение равняется его номинальному напряжению Зенера. В отличие от обычных выпрямительных диодов, которые никогда не предназначены для работы при пробое или вблизи него, стабилитрон предназначен для работы в области пробоя. Пробой диода происходит, когда вы прикладываете обратное напряжение смещения к диоду.

Зенеровский диод, работающий при пробое, действует как регулятор напряжения, поскольку он поддерживает почти постоянное напряжение, равное напряжению Зенера, на своих клеммах в заданном диапазоне значений обратного тока. Это постоянное падение напряжения на стабилитроне, вызванное обратным пробоем, представлено символом напряжения постоянного тока.

Лавинный и зенеровский пробой

Чтобы лучше понять, как работают стабилитроны, давайте рассмотрим два типа обратного пробоя в стабилитроне: лавинный и стабилитрон пробой. Лавинный эффект возникает как в выпрямителе, так и в стабилитронах при достаточно высоком обратном напряжении. С другой стороны, пробой Зенера происходит в стабилитроне при малых обратных напряжениях. Зенеровский диод сильно легирован для снижения напряжения пробоя. Это вызывает очень тонкую область истощения. В результате в обедненной области существует сильное электрическое поле. Поле, близкое к напряжению пробоя Зенера, достаточно способно вытягивать электроны из их валентных групп и создавать ток.

Стабилитроны с напряжением пробоя примерно менее 5 В обычно работают при пробое Зенера. Те, у которых напряжение пробоя превышает примерно 5 В, обычно работают в условиях лавинного пробоя. Однако оба типа называются стабилитронами. В продаже имеются стабилитроны с напряжением пробоя от менее 1 В до более 250 В с указанными допусками от 1% до 20%.

Характеристики пробоя

По обратному напряжению (В _R ) увеличивается, обратный ток (I _R ) также увеличивается, пока не достигнет тока колена Зенера (I _ZK ). На этот раз начинается эффект пробоя. Импеданс Зенера (Z _Z ), который является внутренним сопротивлением Зенера, начинает уменьшаться по мере быстрого увеличения обратного тока.

В нижней части колена напряжение пробоя Зенера (V _Z ) остается относительно постоянным, хотя и немного увеличивается по мере увеличения тока Зенера (I _Z ), увеличивается. V _Z обычно указывается при значении тока Зенера, известном как испытательный ток.

Характеристики стабилитрона

Чтобы обеспечить правильную работу стабилитрона в цепи, мы должны помнить об этих важных характеристиках.

1. Напряжение Зенера (V _Z )
Напряжение пробоя, обычно называемое напряжением Зенера, представляет собой напряжение обратного смещения, которое заставляет диод проводить ток. Напряжения пробоя обычно находятся в диапазоне от 2,4 В до сотен вольт.

2. Испытательный ток (I _Z )
Для каждого стабилитрона измеряется напряжение стабилитрона (V _Z ) при указанном испытательном токе Зенера (I _Z ). Например, напряжение Зенера для 1N4732A находится в диапазоне от 4,465 до 4,935 В с типичным значением 4,7 В при испытательном токе 53 мА.

3. Ток колена (I _ZK )
Минимальный ток необходим для удержания диода в состоянии пробоя для регулирования напряжения. Типичные значения составляют от 0,25 до 1 мА для стабилитрона мощностью 1 Вт. Если этот ток не достигается, диод не пробьет достаточно, чтобы сохранить свое номинальное напряжение.

4. Максимальный ток (I _ZM )
Стабилитрон поддерживает почти постоянное напряжение на своих клеммах при значениях обратного тока в диапазоне от I

ZK до I _ZM . Если I _ZM превышено, стабилитрон может быть поврежден из-за чрезмерного рассеивания мощности.

5. Ток утечки
Обратный ток утечки указан для обратного напряжения, которое меньше напряжения колена. Это означает, что для этих измерений стабилитрон не имеет обратного пробоя. Например, для обратного напряжения 1 В в 1N4728A.

6. Номинальная мощность (P _Z )
Номинальная мощность показывает максимальную мощность (напряжение x ток), которую может выдержать стабилитрон. (Даже диоды, рассчитанные на пробой, могут выйти из строя по-настоящему, если вы превысите их номинальную мощность. Так что будьте осторожны!) — максимальное сопротивление Зенера при заданном испытательном токе,

I _Z . Например, для 1N4728A, Z _Z составляет 10 Ом при 76 мА. В изломе характеристической кривой максимальное сопротивление Зенера Z _ZK определяется как I _ZK , что является током в изломе кривой. Например, Z _ZK составляет 400 Ом при 1 мА для 1N4728A.

8. Температурный коэффициент (TC)
Стабилитроны подвержены влиянию температурных изменений, связанных с их температурным коэффициентом напряжения. Температурный коэффициент определяет процентное изменение напряжения Зенера для каждого изменения температуры. Формула для расчета изменения напряжения Зенера для заданного изменения температуры перехода (%/℃) для заданного температурного коэффициента:

Vz — номинальное напряжение Зенера
TC — температурный коэффициент
ΔT — изменение температуры

Если температурный коэффициент выражается в мВ/℃, ΔVz определяется как:

Положительный температурный коэффициент означает, что изменение напряжения Зенера прямо пропорционально изменению температуры. Следовательно, отрицательное значение TC означает, что напряжение Зенера обратно пропорционально изменению температуры.

9. Спецификация температуры перехода
Для обеспечения надежности диода ключевое значение имеет температура перехода диода. Несмотря на то, что корпус может быть достаточно прохладным, активная область может быть намного горячее. В результате некоторые производители указывают рабочий диапазон для самого соединения. Для нормальной конструкции обычно сохраняется подходящий запас между максимальной ожидаемой температурой внутри оборудования и соединения. Внутренняя температура оборудования снова будет выше, чем температура снаружи оборудования. Необходимо следить за тем, чтобы отдельные предметы не нагревались слишком сильно, несмотря на приемлемую температуру окружающей среды снаружи оборудования.

10. Упаковка
Стабилитроны поставляются в различных упаковках. Основной выбор — между поверхностным монтажом и традиционными сквозными устройствами. Однако выбранный корпус часто определяет уровень рассеивания тепла. Доступные варианты будут подробно описаны в спецификации стабилитрона.

---

И все! Надеюсь, вы узнали что-то новое из этого руководства о диодах Зенера и о том, как они работают. Если вы нашли этот урок интересным или полезным, поставьте ему лайк, а если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в комментариях ниже. До встречи в нашем следующем уроке!

Автор:

Susie Maestre

Susie — инженер-электронщик, в настоящее время изучает микроэлектронику. Она любит вымышленные романы, мотивационные книги так же сильно, как электронику и электротехнику. Некоторые из ее областей интересов включают цифровое проектирование, биомедицинскую электронику, физику полупроводников и фотонику.

Получите новейшие инструменты и учебные пособия, только что из тостера.

Основы: введение в стабилитроны

Зенеровские диоды — это полупроводниковые диоды особого типа — устройства, которые позволяют току течь только в одном направлении, а также позволяют току течь в противоположном направлении, но только при достаточном напряжении. И хотя это звучит несколько эзотерически, на самом деле они являются одними из самых удобных компонентов, когда-либо встречавшихся на рабочем месте инженера, предоставляя отличные решения для ряда распространенных потребностей в схемотехнике.

Далее мы покажем вам, как (и когда) использовать стабилитрон для приложений, включая простые опорные напряжения, привязку сигналов к определенным диапазонам напряжения и снижение нагрузки на регулятор напряжения.

Предыстория: Полупроводниковые диоды, реальные и идеальные

Чтобы понять, чем стабилитроны отличаются от других диодов, давайте сначала рассмотрим свойства обычных диодов. И хотя существует множество различных типов диодов — см. здесь длинный список — мы сосредоточимся на так называемых «обычных» полупроводниковых диодах, чаще всего сконструированных с p-n кремниевым переходом.

Диоды обычно поставляются в стеклянных или пластиковых цилиндрических упаковках, помеченных полосой на одной стороне для обозначения полярности. В идеальном диоде ток течет только в одном направлении, от анода (положительная сторона) к катоду (отрицательная сторона), отмеченному полосой. Схематический символ представляет собой треугольник, указывающий на полосу, где ток течет в том же направлении, к концу с полосой (полосой). Версии диодов для поверхностного монтажа, как правило, следуют тому же соглашению по маркировке, где конец катода отмечен широкой полосой.

Если включить диод в простую схему с источником переменного напряжения и токоограничивающим резистором, то можно измерить ток I через диод при приложении к нему заданного напряжения В . Для идеального диода ток вообще не проходит, когда напряжение меньше нуля: диод полностью предотвращает протекание обратного тока. При небольшом положительном напряжении («прямое смещение» или иногда «прямое напряжение») может протекать небольшое количество тока, и очень большое количество тока будет протекать выше заданного порога. Величина протекающего тока на самом деле экспоненциальна с увеличением напряжения.

Пороговое значение, при котором протекает значительный ток, обычно составляет около 0,7 В для простых полупроводниковых диодов, но может достигать 0,15 В для диодов Шоттки или достигать 4 В для некоторых типов светодиодов.

 

Конечно, идеальных диодов не существует. В реальных диодах при обратном напряжении может протекать очень небольшой ток (утечка). И, что более важно, каждый диод рассчитан на определенное максимальное значение обратного напряжения. Если вы приложите более отрицательное напряжение, чем этот предел, диод подвергнется «обратному пробою» и начнет проводить значительный ток, но назад от нормального направления тока диода. Для обычного диода мы бы сказали, что диод вышел из строя , если он начинает проводить ток в этом направлении.

В сторону: Фактическая физика того, что происходит при пробое, весьма интересна; этому поведению способствуют два отдельных эффекта, эффект Зенера и лавинный пробой.

Зенеровские диоды

Зенеровские диоды представляют собой полупроводниковые диоды, которые были изготовлены таким образом, чтобы их обратный пробой происходил при определенном, четко определенном напряжении (его «напряжение Зенера»), и которые спроектированы таким образом, чтобы они могли работать непрерывно в этом режиме развала. Доступны широко распространенные стабилитроны с напряжением пробоя («напряжение Зенера») от 1,8 до 200 В.

Схематическое обозначение стабилитрона показано выше – оно очень похоже на обозначение обычного диода, но с загнутыми краями на полосе. Зенер по-прежнему проводит электричество в прямом направлении, как и любой другой диод, но также проводит электричество в обратном направлении, если приложенное напряжение обратное и больше, чем напряжение пробоя Зенера.

Типичное применение может быть таким, как указано выше: Стабилитрон на 10 В (тип 1N4740) включен последовательно с резистором и постоянным источником питания на 12 В. Номинал резистора выбирают таким, чтобы через него и через стабилитрон проходило несколько мА, удерживая его в области пробоя. В приведенной выше схеме напряжение на стабилитроне составляет 10 В, а на резисторе — 2 В. При напряжении 2 В на резисторе 400 Ом ток через этот резистор (и диод последовательно) составляет 5 мА.

Эталоны напряжения Зенера

Свойство стабилитронов с фиксированным напряжением делает их чрезвычайно удобными в качестве быстрых эталонов напряжения. Базовая схема выглядит так:

Необходимо учитывать несколько требований. Во-первых, входное напряжение должно быть выше напряжения Зенера. Во-вторых, номинал резистора должен быть выбран таким, чтобы через стабилитрон всегда протекал ток.

Некоторые предостережения: это не обязательно хороший источник питания для всех целей — резистор ограничивает потребляемый ток. Это также не обязательно точность опорное напряжение; напряжение будет зависеть от величины потребляемого тока. (То есть, чтобы напряжение было стабильным, нагрузка, управляемая этим опорным напряжением, должна быть постоянной.) Напряжение также зависит от температуры. Стабилитроны в диапазоне 5-6 В имеют наилучшую температурную стабильность, и существуют высокоточные стабилитроны (например, LM399), которые включают в себя собственную термостабилизированную печь для дальнейшего поддержания температуры диода как можно более стабильной.

 

Развив эту идею немного дальше, вы можете создать полноценный источник питания с несколькими шинами, используя только набор стабилитронов для генерации всех необходимых напряжений, при условии, что требования к току на входе невелики. разное напряжение питания. Вышеприведенная схема является частью работающего лабораторного прибора.

Фиксаторы напряжения: ограничение сигналов с помощью стабилитронов

С помощью одного стабилитрона можно ограничить изменяющийся аналоговый сигнал довольно узким диапазоном напряжений. Если у вас есть напряжение, которое колеблется между + 7 В и – 7 В, вы можете использовать одиночный стабилитрон на 4 В, подключенный к земле, чтобы гарантировать, что сигнал не превышает 4 В или не опускается ниже -0,7 В (где диод проводит вперед на землю).

Если вы хотите, чтобы сигнал никогда не становился отрицательным, например, для входа в аналого-цифровой преобразователь, который принимает сигналы в диапазоне 0–5 В, вы можете подключить анод стабилитрона к шине питания. на 1 В вместо земли. Тогда диапазон выходного сигнала будет ограничен диапазоном от 0,3 В до 5 В.

Еще один хитрый прием — последовательное использование двух диодов Зенера, ориентированных противоположно. Например, это может обеспечить симметричный предел отклонения сигнала от земли. Это также обычная конфигурация для использования стабилитронов в качестве подавителей переходных процессов.

Перевод напряжения: снижение нагрузки на регулятор

Вот что-то не работает. У нас есть TL750L05, тип линейного стабилизатора с выходным напряжением 5 В, который может обеспечивать выходной ток до 150 мА, и его нагрузка будет переменной. Нам нужно запитать его от источника 36 В. К сожалению, максимальное входное напряжение TL750L05 составляет 26 В.

Давайте попробуем добавить резистор последовательно, чтобы снизить часть этого напряжения:

Наша выходная нагрузка может достигать 125 мА и 10 мА. Итак, резистор какого номинала нам подойдет?

Предположим, что мы предполагаем нагрузку 125 мА. Затем снять (скажем) 20 В на резисторе, 20 В / 0,125 А = 160 Ом. Если мы используем 160 Ом, это упадет только на 160 Ом × 0,01 А = 1,6 В при нагрузке 10 мА, а 36 В — 1,6 В все еще больше, чем 26 В. Чтобы быть безопасным для нагрузки 10 мА, мы должны выбрать резистор, который дает нам падение не менее 11 В, для входа 25 В на регулятор. Таким образом, 11 В / 0,01 А = 1100 Ом было бы безопасно для нагрузки 10 мА. Но если нагрузка увеличится до 125 мА, падение на 1100 Ом составит V = 0,125 А × 1100 Ом = 137 В, а значит, на входе регулятора будет меньше 5 В, и он перестанет работать.

Ясно, что не существует номинала резистора, который можно было бы выбрать и который бы действительно работал как для слабого, так и для сильноточного случая.

В стороне: Мы пропустили пару мелких деталей о стабилизаторах напряжения, которые часто заслуживают внимания. Во-первых, линейный регулятор всегда требует немного большего напряжения на входе, чем на выходе. Эта разница напряжений называется «напряжением падения» и может достигать 0,6 В для TL750L05, так называемого регулятора «с малым падением напряжения». Это означает, что при выводе 5 В при 150 мА на входе регулятора должно быть 5,6 В или выше. Мы можем смело игнорировать это здесь, потому что 36 В – 137 В все еще ниже 5,6 В.

Вторая небольшая деталь заключается в том, что линейный регулятор на самом деле потребляет немного больше тока на своем входе, чем на своем выходе. Причина этого в том, что часть тока, поступающего на вход регулятора, течет на землю через его третью клемму «заземления», а не на выходную клемму. Этот «ток покоя» может достигать 12 мА для TL750L05. Это означает, что когда 125 мА вытекает из выходной клеммы регулятора, на входную клемму может поступать до 137 мА. В приведенном выше примере это означает, что максимальное падение напряжения на резисторе 1100 Ом будет более точно оценено как V = 0,137 A × 1100 Ом = 151 В. Опять же, это не меняет нашего анализа.

 

Давайте попробуем еще раз, на этот раз с нашим другом, стабилитроном.

Наконец, давайте попробуем использовать один толстый стабилитрон на 20 В (тип 1N5357BRLG), чтобы снять часть нагрузки. Тогда выходное напряжение на аноде стабилитрона составляет всего 16 В, что находится в пределах безопасного входного диапазона регулятора.