Схема простого линейного стабилизатора на стабилитроне, описание принципа его работы.

Для стабильной работы различных систем (будь то электрические или прочие) естественно нужны стабильные ее элементы, части. Электрическое напряжение является основополагающей характеристикой, которая нуждается в своей мере. Любая электрическая схема требует для своей нормальной работы определенную величину электрического напряжения, от которого также зависят сила тока, сопротивление, мощность. Следовательно в электротехнике существуют специальные компоненты и схемы, задача которых стабилизировать напряжение.

Самым простым способом стабилизировать электрическое постоянное напряжение в нужном месте цепи, схемы является использование обычного стабилитрона. Именно этот электронный элемент в силу своих физических свойств может поддерживать определенную величину постоянного напряжения на одном уровне (с небольшим отклонением, которое можно уменьшить различными способами).

Сам по себе стабилитрон нормально не будет работать, нужен дополнительный резистор. Вместе они образуют схему простого линейного стабилизатора постоянного напряжения на стабилитроне. Стабилитрон представляет собой обычный двуполярный полупроводник с определенным порогом обратного напряжения, после превышения которого он попросту пробивается и начинает пропускать через себя ток. Если до этого пробоя напряжение росло, а ток не менялся (был крайне мал и незначительный), то после пробоя (своего стабилизированного напряжения) стало все наоборот — напряжение остается примерно на одном уровне (меняется незначительно), а сила тока начинает увеличиваться. Различные стабилитроны рассчитаны на свое определенное напряжение стабилизации и максимальный ток (который течет через них после пробоя в режиме стабилизации).

Если просто попытаться присоединить стабилитрон к схеме и путем увеличения входного напряжения смотреть что будет, то можно увидеть — до момента пробоя постоянное напряжение просто постепенно будет увеличиваться на выводах полупроводника, после же пробоя начнет увеличиваться ток, и достаточно сильно. Естественно, чем больше сила тока протекает через элемент, тем сильнее он нагревается. Обычно стабилитроны имеют небольшие размеры. На сильные токи они не рассчитаны. Следовательно даже незначительное превышение тока может легко спалить деталь.

Для нормальной работы такой вот простой схемы линейного стабилизатора постоянного напряжения на стабилитроне последовательно ставится резистор (определенного номинала и мощности). Получается простая последовательная электрическая цепь, состоящая из стабилитрона (полупроводника) и резистора (сопротивления). Что будет происходить в этом случае при постепенном увеличении входного напряжения?

В начале до момента пробоя полупроводника большая часть напряжения (практически все поскольку внутреннее сопротивления стабилитрона в закрытом состоянии очень велико) будет оседать именно на нем. Ток в этой цепи будет мизерным (токи утечки полупроводника). После пробоя стабилитрона (выход в режим стабилизации постоянного напряжения) на нем будет оставаться лишь то напряжение, на которое он рассчитан, а остальное (все, что больше напряжения стабилизации, идущее от источника питания) уже будет оседать на резисторе. Сопротивлением этого резистора регулируется сила тока, которая протекает по этой цепи (простой схемы линейного стабилизатора на стабилитроне).

В итоге получаем, что на стабилитроне будет у нас практически стабильное, имеющее постоянную величину (с небольшим отклонением) постоянное напряжение. А все лишнее, идущее от питающего эту схему источника, будет оставаться на сопротивлении (и меняться оно будет только на нем). Таким образом можно параллельно стабилитрону, в этой схеме линейного стабилизатора, подключать различные маломощные элементы и схемы, которые нуждаются в стабилизированном постоянном напряжении определенной величины.

Для некоторых схем подобная схема простого линейного стабилизатора постоянного напряжения вполне подходит. Хотя все же стабилитрон не может оказать высокую степень стабилизации (есть свои пределы). Его удобно использовать как элемент, создающий место опорного напряжения в схеме. Но для того, чтобы добиться большей стабильности напряжения нужно уже использовать электронные схемы, в которых будет иметься обратная связь, регулирующая величины напряжения за счет цепей, замыкающих выход со входом.

Достаточно часто параллельно этому стабилитрону подсоединяется переменный резистор, идущий уже к транзисторам и микросхемам. Это позволяет создавать как бы место опорного напряжения в более сложных электронных схемах. Если к выходу одного такого линейного стабилизатора (параллельно стабилитрону) подсоединить вход еще одного такого же (последовательную цепь из резистора и стабилитрона), то мы получим улучшенную стабилизацию постоянного напряжения. Стабилизация постоянного напряжения увеличивается в разы. Каждый последующий стабилитрон такой вот цепи должен быть рассчитан на меньшее напряжение, чем вначале стоящий.

Видео по этой теме:

P.S. Если обычный диод работает при прямом его включении (на плюс диода подается плюс питания, а на минус диода, минус питания). То в стабилитроне все наоборот. Он нормально работает именно при обратном подключении. Именно режим пробоя полупроводника (который не приносит вреда) дает возможность иметь на  этом компоненте стабилизированное постоянное напряжение. Но опять же, повторюсь, эти полупроводники не рассчитаны на большие токи. Имеют малые размеры. И если случайно через стабилитрон пойдет достаточно большой ток, он просто испортится от перегрева. Учитывайте это.

принцип работы, схема и т.д.

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

Схема стабилитрона

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия стабилитрона

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

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

График напряжение-ток для стабилитрона

Напряжение стабилитрона

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

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

Если выбрано правильное значение сопротивления, то ток в цепи не будет превышать максимальное значение тока для стабилитрона.

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

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

Поскольку напряжение на стабилитроне значительно превышает напряжения стабилитрона, то цепь, которую мы только что описали, может быть использована для обеспечения подачи регулируемого напряжения на нагрузку.

Если нагрузка включена параллельно со стабилитроном, то падение напряжение на нагрузке будет равно падению напряжения на стабилитроне.

Простая цепь с нагрузкой, соединенной параллельно с стабилитроном

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения | HomeElectronics

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Показатель	Линейный источник питания	Импульсный источник питания
Стоимость	Низкая	Высока
Масса	Большая	Небольшая
ВЧ-шум	Отсутствует	Высокий
КПД	35 — 50 %	70 — 90 %
Несколько выходов	Нет	Есть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения.

Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении U_пор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток I_обр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение U_обр на диоде до определённого значения U_{обр. max} произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации U_ст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации I_ст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации I_ст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности P_max

, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации I_ст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями I_ст.max и I_ст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_СТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔU_CT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации Δi_CT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями

постоянного прямого напряжения U_пр и максимально допустимого постоянного прямого тока I_{пр. max}.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки R_Н. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания U

П и тока нагрузки I_Н.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки R_н тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = U_st – напряжение стабилизации;

выходной ток I_H = I_ST;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, I_H = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (U_st = 5,1 В, дифференциальное сопротивление r_st = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений I_{ст. max} и P_max стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки R_H. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_CT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_EB) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h31e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки I_Н.

Коэффициент стабилизации будет равен

где R_VT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где R_e и R_b – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление R_e существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление R_e быстро возрастает и это приводит к увеличению R_VT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение R_e можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки R_H. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_ST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора I_B и ток стабилизации связаны между собой соотношением I_B + I_ST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где R_k – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно k_ST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Стабилитрон — это… Что такое Стабилитрон?

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

Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — плоскостной кремниевый полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя^[1]. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко^[1]. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом^[1]. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов^[2].

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

Терминология и классификация

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

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

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

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

Не являются стабилитронами лавинно-пролётные диоды, туннельные диоды и стабисторы. Стабисторы — это маломощные диоды, предназначенные для работы на прямом токе в стабилизаторах напряжения и как датчики температуры. Характеристики стабисторов в обратном включении не нормировались, а подача на стабистор обратного смещения допускалась только «при переходных процессах включения и выключения аппаратуры»^[14]. Обращённые диоды в различных источниках определяются и как подкласс стабилитронов^[15], и как подкласс туннельных диодов^[16]. Концентрация легирующих примесей в этих диодах настолько велика, что туннельный пробой возникает при нулевом обратном напряжении. Из-за особых физических свойств и узкой области применения они обычно рассматриваются отдельно от стабилитронов и обозначаются на схемах особым, отличным от стабилитронов, символом^[15][17].

Принцип действия

Полупроводниковый стабилитрон — это плоскостной кремниевый диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви вольт-амперной характеристики. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствии тепловой неустойчивости — катастрофического саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою^[19].

Первую модель электрического пробоя предложил в 1933 году Кларенс Зенер, в то время работавший в Бристольском университете^[20]. Его «Теория электического пробоя в твёрдых диэлектриках» была опубликована летом 1934 года^[21]. В 1954 году Кеннет Маккей из Bell Labs установил, что предложеный Зенером туннельный механизм действует только при напряжениях пробоя до примерно 5,5 В, а при бо́льших напряжениях преобладает лавинный механизм^[20]. Напряжение пробоя стабилитрона определяется концентрациями акцепторов и доноров и профилем легирования области p-n-перехода. Чем выше концентрации примесей и чем больше их градиент в переходе, тем больше напряжённость электрического поля в области пространственного заряда при равном обратном напряжении, и тем меньше обратное напряжение, при котором возникает пробой:

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

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

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

Производство

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

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

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

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

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

Области применения

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

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

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

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

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

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

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

Основные характеристики стабилитрона

Токи и напряжения стабилизации

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

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

Дифференциальное сопротивление

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

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

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

Температурный коэффициент напряжения

Точка нулевого ТКН в стабилитроне с нормально положительным ТКН (I_TK0I_ст.ном.)

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

В области малых и средних токов на вольт-амперных характеристиках стабилитронов на напряжение 4,5…6,5 В^[60] можно найти точку (значение тока I_TK0 и напряжения U_TK0), в которой температурный коэффициент близок к нулю. Если стабилизировать ток стабилитрона внешним источником тока на уровне, точно равном I_TK0, то напряжение на стабилитроне, равное U_TK0, будет практически независимым от температуры. Такой подход применяется в интегральных стабилитронных источниках опорного напряжения, но не применим к устройствам на дискретных стабилитронах. Точное значение I_TK0 можно определить только опытным путём, что в условиях серийного производства неприемлемо^[61]. Стабилитроны на напряжение менее 4,5 В также имеют точку нулевого ТКН, но она достигается лишь при запретительно высоких токах^[60]. Стабилитроны на напряжение свыше 6,5 В имеют положительный (ненулевой) ТКН во всём диапазоне токов^[60].

Дрейф и шум

Подробное рассмотрение темы: Дрейф и шум источников опорного напряжения

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

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

Динамические характеристики

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

Область безопасной работы

Ограничения области безопасной работы стабилитронов серии NZX при непрерывной стабилизации напряжения

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

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

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

,

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

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

Характер и причины отказов

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

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

Прецизионные стабилитроны

Термокомпенсированный стабилитрон

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

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

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

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

Стабилитрон со скрытой структурой

Подробное рассмотрение темы: Стабилитрон со скрытой структурой

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

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

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

Схемы включения стабилитрона

Базовая схема параллельного стабилизатора

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

Простейший параллельный стабилизатор состоит из балластного резистора, включенного последовательно между источником питания и нагрузкой, и стабилитрона, шунтирующего нагрузку на общий провод («на землю»). Разница между напряжением питания и напряжением пробоя стабилитрона падает на балластном резисторе, а протекающий через него ток питания разветвляется на ток нагрузки и ток стабилитрона. Cтабилизаторы такого рода называются параметрическими: они стабилизируют напряжение за счёт нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитрона, и не используют цепи обратной связи^[88].

Расчёт параметрического стабилизатора на полупроводниковых стабилитронах аналогичен расчёту стабилизатора на газонаполненных приборов, с одним существенным отличием: газонаполненным стабилитронам свойственен гистерезис порогового напряжения. При емкостной нагрузке газонаполненный стабилитрон самовозбуждается, поэтому конструкции таких стабилизаторов обычно не содержат емкостных фильтров, а конструктору не нужно учитывать переходные процессы в этих фильтрах. В стабилизаторах на полупроводниковых стабилитронах гистерезис отсутствует, фильтрующие конденсаторы подключаются непосредственно к выводам стабилитрона и нагрузки — как следствие, конструктор обязан учитывать броски тока заряда (разряда) этих емкостей при включении (выключении) питания. Наихудшими случаями, при которых вероятен выход из строя элементов стабилизатора или срыв стабилизации, являются:

• Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при коротком замыкании выхода стабилизатора на общий провод — например, на время зарядки разряженного конденсатора, подключенного непосредственно к выходу стабилизатора, или при катастрофическом отказе стабилитрона^[89]. Допустимая мощность рассеивания балластного резистора должна быть достаточной, чтобы выдержать подобное замыкание. В противном случае вероятно разрушение балластного резистора.
• Подача на вход стабилизатора максимально возможного напряжения питания при отключении нагрузки от выхода стабилизатора. Допустимый ток стабилитрона должен превышать расчётный ток через балластный резистор, определяемый по закону Ома. В противном случае при разогреве кристалла стабилитрона свыше +175 °С стабилитрон разрушается. Соблюдение паспортной области безопасной работы так же важно для стабилитронов, как и для транзисторов^[90].
• Отбор нагрузкой максимально возможного тока при подаче на вход стабилизатора минимально возможного напряжения питания. Сопротивление балластного резистора должно быть достаточно мало, чтобы и в этих условиях ток через резистор превышал ток нагрузки на величину, равную минимально допустимому току стабилитрона. В противном случае ток стабилитрона прерывается, стабилизация прекращается.

На практике часто оказывается, что соблюсти все три условия невозможно как по соображениям себестоимости компонентов, так и из-за ограниченного диапазона рабочих токов стабилитрона. В первую очередь можно поступиться условием защиты от короткого замыкания, доверив её плавким предохранителям или тиристорным схемам защиты, или положиться на внутреннее сопротивление источника питания, которое не позводит ему выдать и максимальное напряжение, и максимальный ток одновременно^[91].

Последовательное и параллельное включение

В документации на стабилитроны иностранного производства возможность их последовательного или параллельного включения обычно не рассматривается. В документации на советские стабилитроны встречаются две формулировки:

• для приборов малой и средней мощности «допускается последовательное или параллельное соединение любого числа стабилитронов» [одной серии]^[92];
• для приборов средней и большой мощности «допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов [одной серии]. Параллельное соединение допускается при условии, что суммарная рассеиваемая мощность на всех параллельно включенных стабилитронах не превосходит максимально допустимой мощности для одного стабилитрона»^[93].

Последовательное соединение стабилитронов разных серий возможно при условии, что рабочие токи последовательной цепочки укладываются в паспортные диапазоны токов стабилизации каждой использованной серии. Шунтировать стабилитроны высокоомными выравнивающими резисторами так, как это делается в выпрямительных столбах, не требуется. «Любое число» последовательно соединённых стабилитронов возможно, но на практике ограничено техническими условиями на электробезопасность высоковольтных устройств. При соблюдении этих условий, при подборе стабилитронов по ТКН и их термостатировании возможно построение прецизионных высоковольтных эталонов напряжения. Например, в 1990-е годы лучшие в мире показатели стабильности имел стабилитронный эталон на 1 миллион В, построенный российской компанией «Мегавольт-Метрология» по заказу канадского энергетического института IREQ^[fr]. Основная погрешность этой установки не превышала 20 ppm, а нестабильность по температуре — не более 2,5 ppm во всём рабочем диапазоне температур^[36].

Составной стабилитрон

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

Если схема требует снимать со стабилитрона бо́льшие токи и мощности, чем это допустимо по техническим условиям, то между стабилитроном и нагрузкой включают буферный усилитель постоянного тока. В схеме «составного стабилитрона» коллекторный переход единственного транзистора, усиливающего ток, включен параллельно стабилитрону, а эмиттерный переход — последовательно со стабилитроном. Сопротивление, задающее смещение транзистора, выбирается таким образом, чтобы транзистор плавно окрывался при токе стабилитрона, примерно равном его номинальному току стабилизации. Например, при I_ст.ном.=5 мА и U_бэ.мин.=500 мВ сопротивление R=500 мВ/5 мA=100 Ом, а напряжение на «составном стабилитроне» равно сумме U_ст.ном. и U_бэ.мин.. При бо́льших токах тразистор открывается и шунтирует стабилитрон, а ток стабилитрона прирастает незначительно — на величину, равную току базы транзистора, поэтому в первом приближении дифференциальное сопротивление схемы уменьшается в β раз (β — коэффициент усиления транзистора по току). ТКН схемы равен алгебраической сумме ТКН стабилитрона при I_ст.ном. и ТКН прямо смещённого диода (примерно −2 мВ/°C), а её область безопасной работы на практике ограничена ОБР применяемого транзистора^[94][95].

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

Базовая схема последовательного стабилизатора

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

Простейшая схема последовательного стабилизатора также содержит только стабилитрон, транзистор и балластное сопротивление, но транзистор в ней включен по схеме с общим коллектором (эмиттерным повторителем). Температурный коэффициент такого стабилизатора равен алгебраической разнице U_ст.ном. стабилитрона и U_бэ.мин. транзистора; для нейтрализации влияния U_бэ.мин. в практических схемах последовательно со стабилитроном включают прямо включенный диод VD2^[97]. Минимальное падение напряжения регулирующем транзисторе можно снизить, заменив балластный резистор на транзисторный источник тока.

Умножение напряжения стабилизации

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

Для стабилизации напряжения, превосходящего максимальное напряжение типовых малогабаритных стабилитронов, можно собрать составной «высоковольтный стабилитрон», например, набрать напряжение 200 В из последовательно соединённых стабилитронов на 90, 90 и 20 В. Однако напряжение шумов и нестабильность такой схемы могут оказаться неприемлемо высоки, а фильтрация шума высоковольтной цепочки потребует дорогих, массивных конденсаторов. Существенно лучшие характеристики имеет схема с умножением напряжения единственного малошумящего низковольтного стабилитрона на напряжение 5…7 В. В этой схеме, также как и в обычном термокомпенсированном стабилитроне, опорное напряжение равно сумме напряжения пробоя стабилитрона и напряжения перехода база-эмиттер биполярного транзистора. Коэффициент умножения опорного напряжения определяется делителем R2-R3. Действительный коэффициент умножения несколько больше расчётного из-за ответвления тока в базу транзистора^[98].

По соображениям безопасности и простоты монтажа в стабилизаторе положительного напряжения удобнее применять pnp-транзистор, в стабилизаторе отрицательного напряжения — npn-транзистор. В таких конфигурациях коллектор силового транзистора электрически соединён с общим проводом и его можно крепить непосредственно к шасси без изолирующих прокладок. По соображениям доступности и себестоимости в стабилизаторах любой полярности проще и дешевле применять npn-транзисторы. При напряжениях и токах, типичных для ламповых усилителей, ёмкость конденсатора, шунтирующего стабилитрон, должна составлять несколько тысяч мкФ. При этом она не только фильтрует низкочастотный шум стабилитрона, но и обеспечивает плавное нарастание напряжения при запуске схемы. Как следствие, при включении питания возрастает тепловая нагрузка на последовательное сопротивление R1^[98].

ИОН на термокомпенсированном стабилитроне

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

Термокомпенсированные стабилитроны обычно питаются постоянным током от транзисторного или интегрального источника тока. Использование базовой схемы с балластным резистором не имеет смысла, так как даже при питании схемы стабилизированным напряжением нестабильность по току будет неприемлемо велика. Слаботочные стабилитроны на ток 1 мА обычно запитываются от источников тока на биполярных транзисторах, полевых транзисторах с p-n-переходом, стабилитроны на ток 10 мА — от источников тока на МДП-транзисторах со встроенным каналом в режиме обеднения. Интегральные источники тока семейства LM134/LM334 допускают токи до 10 мА, но не рекомендуются к применению в cхемах с током более 1 мА из-за высокой нестабильности по температуре (+0,336 %/°C)^[100].

Высокоомные нагрузки с постоянным, относительно термостабильным, сопротивлением можно подключать непосредственно к выводам стабилитрона. В иных случах между стабилитроном и нагрузкой включается буферный усилитель на прецизионном операционном усилителе или на дискретных биполярных транзисторах. В грамотно спроектированных схемах такого рода, прошедших длительную электротермотренировку, ГОСТ Р 52907-2008, определение 27″>нестабильность при длительной работе составляет порядка 100 ppm в месяц^[101] — существенно выше того же показателя прецизионных интегральных ИОН.

Генератор белого шума на стабилитроне

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

Собственные шумы стабилитрона лавинного пробоя имеют спектр, близкий к спектру белого шума. В стабилитронах на напряжение 9…12 В уровень шума достаточно высок для того, чтобы его можно было использовать для целенаправленной генерации шума. Частотный диапазон такого генератора определяется полосой пропускания усилителя напряжения и может простираться до сотен МГц. На приведённых иллюстрациях показаны две возможные конструкции усилителей: в первом случае верхняя граничная частота усилителя (1 МГц) задаётся ёмкостью С2^[102], во втором она определяется полосой пропускания интегральных усилителей (900 Мгц) и качеством монтажа^[103].

Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём^[103]. Отдельные ранние серии стабилитронов отличались особо высоким уровнем шума, но по мере совершенствования технологии их вытеснили малошумящие приборы. Поэтому в серийных изделиях более оправдано применение не стабилитронов, а высокочастотных биполярных транзисторов в обратном включении, например, разработанного ещё в 1960-е годы транзистора 2N918 — спектр его шума простирается до 1 ГГц^[104].

Программируемые перемычки на стабилитронах

Стабилитрон на базе обратно-смещённого эмиттерного перехода интегрального планарного npn-транзистора («поверхностный стабилитрон») отличается от дискретных стабилитронов малым предельным током стабилизации. Максимальный обратный ток, допустимый в типовой эмиттерной структуре с металлизацией алюминием, не превышает 100 мкА. При бо́льших токах в приповерхностном слое происходит видимая глазу вспышка и под слоем оксида возникает алюминиевая перемычка, навсегда превращающая погибший стабилитрон в резистор с сопротивлением около 1 Ом^[32][33].

Этот недостаток интегральных стабилитронов широко используется в производстве аналоговых интегральных схем для точной подстройки их параметров. В технологии пережигания стабилитронов (англ. zener zapping) параллельно с коммутируемыми сопротивлениями формируются элементарные стабилитронные ячейки. При необходимости скорректировать величину сопротивления цепи или коэффициент делителя напряжения ненужные стабилитронные ячейки пережигаются импульсами тока длительностью 5 мс и силой 0,3—1,8 A, закорачивая соответствующие им резисторы. Тот же приём может применяться и в цифровых ИС с металлизацией алюминием^[32][33].

Примечания

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

Источники

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

Стабилитроны | Основы электроакустики

К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n переходов: управляемая полупроводниковая емкость – варикапы; лавинный пробой – стабилитроны; туннельный эффект – туннельные и обращенные диоды; фотоэффект – фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов – светодиоды; многослойные диоды – динисторы; приборы на переходе металл – полупроводник – диоды Шоттки. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие как тиристоры. Рассмотрим наиболее часто применяемые диоды – стабилитроны и варикапы.

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в области лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление. Если в режиме пробоя мощность, рассеиваемая на нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис.выше показано схемотехническое обозначение стабилитрона, а на рис.ниже приведена его вольтамперная характеристика.

Основными параметрами стабилитронов являются:

• напряжение стабилизации номинальное UСТ;
• напряжение стабилизации минимальное UСТ. мин;
• напряжение стабилизации максимальное UСТ. макс;
• дифференциальное сопротивление RСТ;
• температурный коэффициент напряжения стабилизации αСТ;
• минимальный ток стабилизации IСТ. мин;
• максимальный ток стабилизации IСТ. макс;
• рассеиваемая мощность PРАС.   

   ВАХ стабилитрона  Чаще всего стабилитрон используется для стабилизации постоянного напряжения. Для оценки стабильности схемы используется такой параметр, как дифференциальное сопротивление стабилитрона. Этот параметр измеряется в единицах сопротивления и во многих расчетах играет роль сопротивления. Дифференциальное сопротивление равно отношению изменения приложенного напряжения к соответствующему изменению тока через схему. Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и соответственно тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Простейшая схема стабилизатора напряжения (рис.4.15) включает в себя балластный резистор R0, стабилитрон VD и нагрузку RН, напряжение на которой требуется поддерживать постоянным.

Если изменится входное напряжение UВХ, то это приведет к изменению тока через стабилитрон VD, при этом изменяется сопротивление стабилитрона и соответственно изменится падение напряжения на резисторе R0, в результате чего произойдет компенсация изменения UВХ. 

Стабилизатор напряжения.  Для установления и поддержания правильного режима стабилизации сопротивление R0  должно иметь определенное значение, которое обычно рассчитывают для средней точки вертикального участка рабочей ветви ВАХ стабилитрона. Также необходимо учитывать, чтобы при любом возможном изменении входного напряжения ток через стабилитрон находился на вертикальном участке ВАХ. Рассмотрим основные параметры стабилитронов. Напряжение стабилизации может изменяться примерно от 3 до 200В, изменение тока стабилитрона от Iмин до Iмакс составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность, рассеиваемая на стабилитроне – от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление RДв режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения. Низковольтные стабилитроны малой мощности имеют сопротивление RД от единиц до десятков Ом. Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рис.4.16). Вследствие разброса характеристик и параметров у отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется. Последовательное включение стабилитронов  Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов , в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое напряжение стабилизации, чем стабилитрон VD2. Эффективная стабилизация характеризуется коэффициентом стабилизации КСТ, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы на рис.4.15 можно записать:  КCТ = (ΔUВХ / UВХ) / (ΔUВЫХ / UВЫХ).  Каскадное включение стабилитронов  Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить КСТ, равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рис. 4.17) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев:  КСТ = КСТ1∙КСТ2∙…∙КСТN     и уже при двух звеньях составляет несколько сотен.

Недостатком рассматриваемых схем является то, что потери мощности в самом стабилитроне и на R0 велики, особенно в схемах каскадного соединения. Другой недостаток – схема не стабилизирует выходное напряжение при изменении сопротивления нагрузки и при изменении параметров самого стабилитрона.

 

Стабилитрон — что это — и для чего он нужен?

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

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

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

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

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

Характеристики

Параметры стабилитронов следующие:

• U_ст — напряжение стабилизации при номинальном токе I_ст;
• I_{ст min} — минимальный ток начала электрического пробоя;
• I_{ст max} — максимальный допустимый ток;
• ТКН — температурный коэффициент.

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

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

P_max = I_{ст max}∙ U_ст.

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

Схемы включения

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

В некоторых случаях происходит нарушение стабилизации.

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

Для защиты стабилизатора применяются тиристорные схемы защиты или плавкие предохранители.

Резистор R_б рассчитывается по формуле:

R_б = (U_пит — U_ном )(I_ст + I_н).

Ток стабилитрона I_ст выбирается между допустимыми максимальным и минимальным значениями, в зависимости от напряжения на входе U_пит и тока нагрузки I_н.

Выбор стабилитронов

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

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

• U_пит = 12-15 В — напряжение входа;
• U_ст = 9 В — стабилизированное напряжение;
• R_н = 50-100 мА — нагрузка.

Параметры характерны для устройств с небольшим потреблением энергии.

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

R_∑ = 12 В / 0,1 А = 120 Ом.

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

R_экв = 9 В / 0,1 А = 90 Ом.

Теперь можно определить сопротивление балласта:

R_б = 120 Ом — 90 Ом = 30 Ом.

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

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

U_R = 15 — 9 = 6 В.

Затем определяется ток через резистор:

I_R = 6/30 = 0,2 А.

Поскольку стабилитрон подключен к нему последовательно, I_c = I_R = 0,2 А.

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

По полученным параметрам подбирается подходящий стабилитрон Д815В.

Симметричный стабилитрон

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

Аналог стабилитрона

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

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

Маркировка стабилитронов

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

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

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

Заключение

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

3.11: Что такое стабилитроны?

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это особый тип выпрямительного диода, который может выдерживать пробой из-за обратного напряжения пробоя без полного отказа. Здесь мы обсудим концепцию использования диодов для регулирования падения напряжения и то, как стабилитрон работает в режиме обратного смещения для регулирования напряжения в цепи.

Как диоды регулируют падение напряжения

Если мы подключим диод и резистор последовательно к источнику постоянного напряжения так, чтобы диод был смещен в прямом направлении, падение напряжения на диоде останется довольно постоянным в широком диапазоне напряжений источника питания, как показано на рисунке ниже (а).

Ток через смещенный в прямом направлении PN-переход пропорционален значениям и , возведенным к мощности прямого падения напряжения. Поскольку это экспоненциальная функция, ток растет довольно быстро при небольшом увеличении падения напряжения.

Другой способ рассмотреть это — сказать, что падение напряжения на диоде с прямым смещением мало изменяется при больших изменениях тока диода. В схеме, показанной на рисунке ниже (а), ток диода ограничен напряжением источника питания, последовательным резистором и падением напряжения на диоде, которое, как мы знаем, не сильно отличается от нуля.7 вольт.

Прямо смещенный кремниевый эталон: (а) одиночный диод, 0,7 В, (б) 10 последовательно соединенных диодов, 7,0 В.

Если бы напряжение источника питания было увеличено, падение напряжения резистора увеличилось бы почти на такую ​​же величину, а напряжение диода упало бы совсем немного. И наоборот, уменьшение напряжения источника питания привело бы к почти одинаковому уменьшению падения напряжения на резисторе с небольшим уменьшением падения напряжения на диодах.

Короче говоря, мы могли бы резюмировать это поведение, сказав, что диод регулирует падение напряжения примерно на 0.7 вольт.

Использование регулирования напряжения

Регулировка напряжения — это полезное свойство диода. Предположим, мы строим какую-то схему, которая не может выдерживать колебаний напряжения источника питания, но должна питаться от химической батареи, напряжение которой изменяется в течение срока ее службы. Мы могли бы сформировать схему, как показано выше, и подключить схему, требующую постоянного напряжения на диоде, где он будет получать неизменное 0,7 вольт.

Это, безусловно, сработает, но для большинства практических схем любого типа требуется напряжение источника питания выше 0.7 вольт для нормальной работы. Один из способов увеличить нашу точку стабилизации напряжения — это соединить несколько диодов последовательно, чтобы их индивидуальные прямые падения напряжения по 0,7 вольта добавлялись к каждому, создавая большую сумму.

Например, в нашем примере выше (b), если бы у нас было десять последовательно соединенных диодов, регулируемое напряжение было бы в десять раз 0,7 или 7 вольт.

До тех пор, пока напряжение батареи никогда не опускалось ниже 7 вольт, на десятидиодной «стопке» всегда будет падать около 7 вольт.”

Как стабилитроны регулируют напряжение

Если требуются более высокие регулируемые напряжения, мы могли бы либо использовать больше диодов последовательно (на мой взгляд, это неэлегантный вариант), либо попробовать принципиально другой подход.

Мы знаем, что прямое напряжение на диоде является довольно постоянной величиной в широком диапазоне условий, как и напряжение обратного пробоя . Напряжение пробоя обычно намного больше прямого напряжения.

Если бы мы поменяли полярность диода в нашей схеме однодиодного стабилизатора и увеличили напряжение источника питания до точки, где диод «сломался» (то есть он больше не мог выдерживать напряжение обратного смещения, подаваемое на него) диод аналогичным образом регулирует напряжение в этой точке пробоя, не позволяя ему расти дальше.Это показано на рисунке ниже (а).

(a) Кремниевый малосигнальный диод с обратным смещением выходит из строя при напряжении около 100 В. (b) Символ стабилитрона.

К сожалению, когда обычные выпрямительные диоды «выходят из строя», они обычно разрушаются. Однако можно создать диод особого типа, который выдержит пробой без полного выхода из строя. Этот тип диода называется стабилитроном , и его символ показан на рисунке выше (b).

При прямом смещении стабилитроны ведут себя так же, как стандартные выпрямительные диоды: у них прямое падение напряжения, которое соответствует «уравнению диода» и составляет около 0,7 вольт. В режиме обратного смещения они не проводят до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет или не превысит так называемое напряжение стабилитрона , после чего диод сможет проводить значительный ток, и при этом будет пытаться ограничить падение напряжения на это к той точке напряжения Зенера. Пока мощность, рассеиваемая этим обратным током, не превышает тепловые пределы диода, диод не будет поврежден.По этой причине стабилитроны иногда называют «пробивными диодами».

Схема стабилитрона

Стабилитроны

производятся с напряжением стабилитрона от нескольких вольт до сотен вольт. Это напряжение стабилитрона незначительно изменяется с температурой, и, как и обычные значения резисторов с углеродным составом, может иметь погрешность от 5 до 10 процентов по сравнению со спецификациями производителя. Однако этой стабильности и точности обычно достаточно для использования стабилитрона в качестве устройства регулятора напряжения в общей цепи питания, показанной на рисунке ниже.

Схема стабилитрона, напряжение стабилитрона = 12,6 В

Обратите внимание на ориентацию стабилитрона в приведенной выше схеме: диод имеет обратное смещение , и это сделано намеренно. Если бы мы сориентировали диод «нормальным» образом, чтобы он был смещен в прямом направлении, он бы упал всего на 0,7 В, как обычный выпрямительный диод. Если мы хотим использовать свойства обратного пробоя этого диода, мы должны использовать его в режиме обратного смещения.Пока напряжение источника питания остается выше напряжения стабилитрона (в данном примере 12,6 вольт), падение напряжения на стабилитроне будет оставаться на уровне примерно 12,6 вольт.

Как и любой полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температуре. Чрезмерная температура разрушит стабилитрон, и, поскольку он снижает напряжение и проводит ток, он производит собственное тепло в соответствии с законом Джоуля (P = IE). Следовательно, нужно быть осторожным при проектировании схемы регулятора таким образом, чтобы не превышалась допустимая мощность рассеиваемой мощности диода.Интересно, что когда стабилитроны выходят из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности, они обычно выходят из строя , закорачивая , а не открываясь. Диод, вышедший из строя таким образом, легко обнаруживается: он падает почти до нуля при смещении в любую сторону, как кусок проволоки.

Давайте рассмотрим схему стабилизации стабилитрона математически, определив все напряжения, токи и рассеиваемую мощность. Взяв ту же форму схемы, показанную ранее, мы выполним вычисления, предполагая, что напряжение Зенера равно 12.6 вольт, напряжение источника питания 45 вольт и номинальное сопротивление последовательного резистора 1000 Ом (мы будем считать, что напряжение стабилитрона равно , ровно 12,6 вольт, чтобы не квалифицировать все цифры как «приблизительные» на рисунке ниже. (а)

Если напряжение стабилитрона составляет 12,6 вольт, а напряжение источника питания составляет 45 вольт, на резисторе будет падать 32,4 вольт (45 — 12,6 вольт = 32,4 вольт). Падение 32,4 В на 1000 Ом дает 32,4 мА тока в цепи.(Рисунок ниже (b))

(а) Стабилитрон напряжения с резистором 1000 Ом. (б) Расчет падений напряжения и тока.

Мощность рассчитывается путем умножения тока на напряжение (P = IE), поэтому мы можем довольно легко рассчитать рассеиваемую мощность как для резистора, так и для стабилитрона:

Подойдет стабилитрон с номинальной мощностью 0,5 Вт, а также резистор с мощностью рассеяния 1,5 или 2 Вт.

Если чрезмерное рассеяние мощности вредно, то почему бы не спроектировать схему с минимальным возможным рассеянием? Почему бы просто не рассчитать резистор на очень высокое значение сопротивления, тем самым резко ограничив ток и сохранив очень низкие показатели рассеиваемой мощности? Возьмем, например, эту схему с резистором 100 кОм вместо резистора 1 кОм.Обратите внимание, что как напряжение источника питания, так и напряжение стабилитрона диода на рисунке ниже идентичны последнему примеру:

стабилитрон с резистором 100 кОм.

При токе только 1/100 от того, что было раньше (324 мкА вместо 32,4 мА), оба значения рассеиваемой мощности должны быть в 100 раз меньше:

Кажется идеальным, не правда ли? Меньшая рассеиваемая мощность означает более низкие рабочие температуры как диода, так и резистора, а также меньшие потери энергии в системе, верно? Более высокое значение сопротивления действительно снижает уровень рассеиваемой мощности в цепи, но, к сожалению, это создает другую проблему.Помните, что цель схемы регулятора — обеспечить стабильное напряжение для другой схемы . Другими словами, мы в конечном итоге собираемся запитать что-то с напряжением 12,6 вольт, и это что-то будет иметь собственное потребление тока. Рассмотрим нашу первую схему стабилизатора, на этот раз с нагрузкой 500 Ом, подключенной параллельно стабилитрону, как показано на рисунке ниже.

Стабилизатор стабилитрона с последовательным резистором 1000 Ом и нагрузкой 500 Ом.

Если на нагрузке 500 Ом поддерживается 12,6 В, нагрузка будет составлять 25.2 мА тока. Чтобы «падающий» резистор с сопротивлением 1 кОм упал на 32,4 В (уменьшив напряжение источника питания с 45 В до 12,6 на стабилитроне), он все равно должен проводить ток 32,4 мА. Это оставляет 7,2 мА тока через стабилитрон.

Теперь рассмотрим нашу схему «энергосберегающего» регулятора с понижающим резистором 100 кОм, обеспечивающую питание той же нагрузки 500 Ом. Что он должен делать, так это поддерживать 12,6 вольт на нагрузке, как и в последней цепи. Однако, как мы увидим, не может выполнить эту задачу с помощью .(Рисунок ниже)

Нерегуляторный стабилитрон с последовательным резистором 100 кОм и нагрузкой 500 Ом.

При большем значении падающего резистора на месте будет только около 224 мВ напряжения на нагрузке 500 Ом, что намного меньше ожидаемого значения 12,6 вольт! Почему это? Если бы у нас действительно было 12,6 В на нагрузке, она потребляла бы тока 25,2 мА, как и раньше. Этот ток нагрузки должен был пройти через последовательный понижающий резистор, как и раньше, но с новым (гораздо большим!) Понижающим резистором напряжение на этом резисторе упало на 25.2 мА тока, проходящего через него, составят 2520 вольт! Поскольку очевидно, что аккумулятор не имеет такого большого напряжения, этого не может произойти.

Ситуацию легче понять, если мы временно удалим стабилитрон из схемы и проанализируем поведение только двух резисторов на рисунке ниже.

Нерегулятор со снятым стабилитроном.

И понижающий резистор 100 кОм, и сопротивление нагрузки 500 Ом включены последовательно друг с другом, что дает общее сопротивление цепи 100.5 кОм. При общем напряжении 45 В и общем сопротивлении 100,5 кОм закон Ома (I = E / R) говорит нам, что ток будет 447,76 мкА. Рассчитав падение напряжения на обоих резисторах (E = IR), мы получаем 44,776 В и 224 мВ соответственно. Если бы мы переустановили стабилитрон в этот момент, он также «увидел бы» 224 мВ на нем, параллельно сопротивлению нагрузки. Это намного ниже напряжения пробоя стабилитрона диода, поэтому он не «пробивается» и не проводит ток. Если уж на то пошло, при таком низком напряжении диод не будет проводить, даже если он будет смещен в прямом направлении! Таким образом, диод перестает регулировать напряжение.Чтобы «активировать» его, необходимо упасть минимум 12,6 вольт.

Аналитическая методика удаления стабилитрона из схемы и проверки наличия достаточного напряжения, чтобы заставить его проводить, является правильной. Тот факт, что стабилитрон включен в цепь, не гарантирует, что на нем всегда будет падать полное напряжение стабилитрона! Помните, что стабилитроны работают по принципу , ограничивая напряжение до некоторого максимального уровня; они не могут заменить из-за отсутствия напряжения.

Таким образом, любая схема стабилизации на стабилитронах будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки равно некоторому минимальному значению или превышает его. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, он будет потреблять слишком большой ток, слишком большое падение напряжения на последовательном понижающем резисторе, оставляя недостаточное напряжение на стабилитроне, чтобы заставить его проводить. Когда стабилитрон перестает проводить ток, он больше не может регулировать напряжение, и напряжение нагрузки упадет ниже точки регулирования.

Однако наша схема регулятора с понижающим резистором 100 кОм должна быть подходящей для некоторого значения сопротивления нагрузки.Чтобы найти это приемлемое значение сопротивления нагрузки, мы можем использовать таблицу для расчета сопротивления в последовательной цепи с двумя резисторами (без диода), вставив известные значения общего напряжения и сопротивления падающего резистора и рассчитав ожидаемое напряжение нагрузки 12,6 В. :

При общем напряжении 45 В и нагрузке 12,6 В у нас должно быть 32,4 В на R _{, падение} :

При 32,4 В на падающем резисторе и сопротивлении 100 кОм ток через него будет 324 мкА:

Поскольку цепь является последовательной, ток во всех компонентах в любой момент времени одинаков:

Расчет сопротивления нагрузки теперь является простым делом закона Ома (R = E / I), что дает нам 38.889 кОм:

Таким образом, если сопротивление нагрузки равно 38,889 кОм, на нем будет 12,6 вольт, диод или без диода. Любое сопротивление нагрузки менее 38,889 кОм приведет к напряжению нагрузки менее 12,6 В, диод или отсутствие диода. При установленном диоде напряжение нагрузки будет регулироваться максимум до 12,6 В для любого сопротивления нагрузки больше , чем 38,889 кОм.

При исходном значении падающего резистора 1 кОм наша схема регулятора смогла адекватно регулировать напряжение даже при сопротивлении нагрузки всего 500 Ом.Мы видим компромисс между рассеиваемой мощностью и допустимым сопротивлением нагрузки. Понижающий резистор большего номинала дал нам меньше рассеиваемой мощности за счет повышения допустимого минимального значения сопротивления нагрузки. Если мы хотим регулировать напряжение для низких сопротивлений нагрузки, схема должна быть подготовлена ​​к более высокому рассеиванию мощности.

Стабилитроны

регулируют напряжение, выступая в качестве дополнительных нагрузок, потребляя больше или меньше тока, если это необходимо для обеспечения постоянного падения напряжения на нагрузке.Это аналогично регулированию скорости автомобиля путем торможения, а не путем изменения положения дроссельной заслонки: это не только расточительно, но и тормоза должны быть сконструированы так, чтобы справляться со всей мощностью двигателя, когда условия движения этого не требуют. Несмотря на эту фундаментальную неэффективность конструкции, схемы стабилизаторов на стабилитронах широко используются благодаря своей простоте. В приложениях с большой мощностью, где неэффективность недопустима, применяются другие методы регулирования напряжения.Но даже в этом случае небольшие схемы на основе стабилитронов часто используются для обеспечения «эталонного» напряжения для управления более эффективной схемой усилителя, управляющей основной мощностью.

Стабилитроны

производятся со стандартными номинальными напряжениями, указанными в таблице ниже. В таблице «Общие напряжения стабилитронов» указаны стандартные напряжения для компонентов мощностью 0,3 Вт и 1,3 Вт. Мощность соответствует размеру кристалла и корпуса и представляет собой мощность, которую диод может рассеять без повреждений.

Стабилитрон с ограничением: Схема ограничения, которая ограничивает пики формы волны приблизительно при напряжении стабилитрона диодов.В схеме на рисунке ниже два стабилитрона соединены последовательно друг с другом, чтобы симметрично ограничить форму волны почти при напряжении стабилитрона. Резистор ограничивает ток, потребляемый стабилитронами, до безопасного значения.

Напряжение пробоя стабилитрона для диодов устанавливается равным 10 В параметром модели диода «bv = 10» в списке цепей spice на рисунке выше. Это приводит к срезанию стабилитронов при напряжении около 10 В. Вставные диоды срезают оба пика. В течение положительного полупериода верхний стабилитрон имеет обратное смещение, выходящее из строя при напряжении стабилитрона 10 В.Нижний стабилитрон падает примерно на 0,7 В, так как он смещен в прямом направлении. Таким образом, более точный уровень отсечения составляет 10 + 0,7 = 10,7 В. Аналогичное отрицательное ограничение полупериода происходит при -10,7 В. (Рисунок ниже) показывает уровень ограничения при немного более ± 10 В.

Ограничитель стабилитрона: вход v (1) ограничивается формой волны v (2).

Обзор

Стабилитроны

• предназначены для работы в режиме обратного смещения, обеспечивая относительно низкий стабильный пробой, или стабилитрон , при котором они начинают проводить значительный обратный ток.
• Стабилитрон может работать как регулятор напряжения, действуя как дополнительная нагрузка, потребляя больше тока от источника, если напряжение слишком высокое, и меньше, если оно слишком низкое.

Что такое стабилитрон и как он работает? — Учебники

Вы когда-нибудь задумывались, почему мы используем стабилитрон с обратным смещением, в отличие от обычных диодов, которые работают с прямым смещением? Это потому, что стабилитроны предназначены для «выхода из строя». Большинство из нас знакомы с диодами общего назначения и выпрямительными диодами.Однако существует несколько других типов диодов, предназначенных для специальных целей. Один из них — стабилитрон. Итак, что такое стабилитрон и чем он отличается от обычного диода?

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон — это кремниевый pn переходное устройство, которое позволяет току течь не только в прямом направлении, как в типичных кремниевых или германиевых диодах, но также и в обратном направлении, если напряжение больше, чем напряжение пробоя, известное как Напряжение изгиба Зенера или просто Напряжение Зенера , названное в честь Кларенса Мелвина Зенера, открывшего это электрическое свойство.

На схематическом изображении обычного диода есть прямая линия, представляющая катод, а у стабилитрона — изогнутая линия, напоминающая букву Z (для стабилитрона). В этом есть смысл, правда?

Как работает стабилитрон?

Стабилитроны действуют как обычные диоды при прямом смещении. Однако они предназначены для того, чтобы ток протекал в обратном направлении, когда обратное напряжение становится равным его номинальному напряжению стабилитрона. В отличие от обычных выпрямительных диодов, которые никогда не предназначены для работы при пробое или близком к нему, стабилитрон предназначен для работы в области пробоя.Пробой диода происходит, когда на диод подается обратное напряжение смещения.

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

Лавина и пробой стабилитрона

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

Стабилитроны с напряжением пробоя менее 5 В обычно работают при пробое стабилитрона. Устройства с пробивным напряжением выше примерно 5 В обычно работают при лавинном пробое. Однако оба типа называются стабилитронами. Стабилитроны коммерчески доступны с напряжениями пробоя от менее 1 В до более 250 В с указанными допусками от 1% до 20%.

Характеристики пробоя

По мере увеличения обратного напряжения (V _R ) обратный ток (I _R ) также увеличивается, пока не достигнет тока перегиба стабилитрона (I _ZK ).На этот раз начинается эффект пробоя. Импеданс стабилитрона (Z _Z ), который представляет собой внутреннее сопротивление стабилитрона, начинает уменьшаться по мере быстрого увеличения обратного тока.

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

Технические характеристики стабилитрона

Чтобы обеспечить правильную работу стабилитрона в цепи, мы должны учитывать эти важные характеристики.

1. Напряжение стабилитрона (В _Z )
Напряжение пробоя, обычно называемое напряжением стабилитрона, представляет собой напряжение с обратным смещением, которое заставляет диод проводить ток. Напряжения пробоя обычно составляют от 2,4 В до сотен вольт.

2. Испытательный ток (I _Z )
Для каждого стабилитрона напряжение стабилитрона (V _Z ) измеряется при заданном испытательном токе стабилитрона (I _Z ). Например, напряжение стабилитрона 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 )
Для поддержания диода в состоянии пробоя для регулирования напряжения требуется минимальный ток. Типичные значения составляют от 0,25 до 1 мА для стабилитрона мощностью 1 Вт. Если этот ток не достигается, диод не выйдет из строя в достаточной степени для поддержания номинального напряжения.

4. Максимальный ток (I _ZM )
Стабилитрон поддерживает почти постоянное напряжение на своих выводах для значений обратного тока в диапазоне от I _ZK до I _ZM . Если значение 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 работает в обратном режиме. Например, для обратного напряжения 1 В в 1N4728A.

6. Номинальная мощность (P _Z )
Номинальная мощность показывает максимальную мощность (напряжение x ток), с которой может справиться стабилитрон. (Даже диоды, предназначенные для выхода из строя, могут действительно выйти из строя, если вы превысите их номинальную мощность. Так что будьте осторожны!)

7. Сопротивление стабилитрона (Z _Z )
Z _Z — максимальное сопротивление стабилитрона при указанном испытательном токе, I _Z . Например, для 1N4728A, Z _Z составляет 10 Ом при 76 мА. В изгибе характеристической кривой максимальный импеданс стабилитрона Z _ZK задан как I _ZK , что является током в изгибе 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 стабилитрона для каждого изменения температуры. Формула для расчета изменения напряжения стабилитрона при заданном изменении температуры перехода (% / ℃) для заданного температурного коэффициента:

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

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

Положительный температурный коэффициент означает, что изменение напряжения стабилитрона прямо пропорционально изменению температуры.Следовательно, отрицательный TC означает, что напряжение стабилитрона обратно пропорционально изменению температуры.

9. Спецификация температуры перехода
Для обеспечения надежности диода температура диодного перехода является ключевой. Несмотря на то, что корпус может быть достаточно холодным, активная область может быть намного горячее. В результате некоторые производители указывают рабочий диапазон для самого разветвления. Для нормальной конструкции обычно сохраняется приемлемый запас между максимальной ожидаемой температурой внутри оборудования и места соединения.Внутренняя температура оборудования снова будет выше, чем температура снаружи оборудования. Необходимо следить за тем, чтобы отдельные предметы не становились слишком горячими, несмотря на приемлемую температуру окружающей среды за пределами оборудования.

10. Упаковка
Стабилитроны поставляются в различных корпусах. Главный выбор — между поверхностным монтажом и традиционными сквозными устройствами. Однако выбранный пакет часто определяет уровень рассеивания тепла.Доступные варианты будут подробно описаны в спецификации стабилитронов.

---

И все! Надеюсь, вы узнали что-то из этого урока о стабилитронах и их работе. Если вы нашли этот урок интересным или полезным, поставьте ему лайк, а если у вас есть вопросы, оставьте его в комментариях ниже. Увидимся в нашем следующем уроке!

Стабилитрон объяснил — StudiousGuy

Стабилитрон — это особый тип диодов с P-N переходом.Это кремниевый полупроводниковый прибор, в котором как P-, так и N-переходы сильно легированы, из-за чего он образует очень тонкий обедненный слой, что приводит к сильному электрическому полю через переход. Он может работать как в прямом, так и в обратном смещении, то есть он может позволить току течь как в прямом, так и в обратном направлении, если через переход проходит достаточное напряжение, но в основном он предназначен для работы в обратном направлении. Стабилитрон решает огромное количество проблем, которые могут возникнуть при проектировании схем.Следовательно, это широко используемый компонент в электрических цепях. Он сконструирован таким образом, что может без сбоев справиться с пробоем, вызванным обратным напряжением пробоя, поэтому он также известен как пробойный диод.

Указатель статей (Нажмите, чтобы перейти)

Кларенс Мелвин Зенер (1905-1993)

Стабилитрон

назван в честь американского физика Кларенса Мелвина Зенера, который разработал электрические свойства стабилитрона.Он был профессором физики в Университете Карнеги-Меллона, и его основная область интересов была «физика твердого тела». Он получил диплом и докторскую степень в Стэнфордском университете, Калифорния. В 1934 году он опубликовал статью, в которой объяснил поломку электрических изоляторов, а в 1950 году он разработал стабилитрон и начал его применение в компьютерных схемах.

Конструкция стабилитрона

Стабилитроны

изготавливаются различными методами. Наиболее широко используемые методы производства включают диффузную структуру сплава, пассивированную структуру и диффузную структуру.В диффузной структуре как P-, так и N-подложки диффундируют вместе, и металлический слой осаждается с обеих сторон, которые соединяют анодные и катодные выводы. В диффузионной структуре из сплава все переходы покрыты слоем оксида кремния (SiO2), но в пассивированной структуре только края переходов покрыты слоем оксида кремния. Напряжение пробоя стабилитрона диода фиксировано на момент его изготовления и обычно составляет от 2,4 до 200 В. Функционирование стабилитрона зависит от уровня его легирования.Слаболегированные диоды показывают лавинный пробой, в то время как сильно легированные диоды показывают пробой Зенера. Диффузионные стабилитроны из сплава лучше работают при низких напряжениях стабилитрона, в то время как диффузные и пассивированные структуры лучше работают при высоких напряжениях стабилитрона.

Условное обозначение стабилитрона

Обозначение схемы стабилитрона почти аналогично обычным символам схемы диода с небольшой разницей в том, что вертикальная линия символа стабилитрона слегка изогнута внутрь и наружу от верхнего и нижнего конца соответственно.

Символ стабилитрона

Принципиальная схема стабилитрона

Стабилитрон

может быть подключен как в прямом, так и в обратном смещении, но он работает как обычный диод в состоянии прямого смещения и в основном предназначен для работы в состоянии обратного смещения. В состоянии обратного смещения, P-тип, то есть положительная сторона диода, подключается к отрицательной клемме батареи, в то время как N-тип, то есть отрицательная сторона диода, подключается к положительной клемме. батареи.

Общие сведения о стабилитроне

Стабилитрон — это сильно легированный диод с P-N переходом; из-за сильного легирования область обеднения между P-N-переходом становится узкой, а напряженность электрического поля увеличивается. Следовательно, увеличивается и проводимость стабилитрона. Нет никакого протекания тока через диод, если к стабилитрону не приложено смещение, так как не будет потока электронов из валентной зоны области P-типа в зону проводимости области N-типа.Если к стабилитрону приложено обратное смещение и подаваемое напряжение превышает напряжение стабилитрона, то электрическое поле на переходе увеличивается, и валентные электроны набирают достаточно энергии и начинают перемещаться из валентной зоны области P-типа в область зона проводимости области N-типа, а барьер между областями P и N уменьшается. При напряжении стабилитрона область обеднения полностью исчезает, и стабилитрон начинает проводить.

Работа стабилитрона

В условиях прямого смещения стабилитрон работает как обычный диод, но когда он работает в режиме обратного смещения, обедненный слой между переходом сужается, и он продолжает сужаться, если мы увеличиваем напряжение с обратным смещением. .Первоначально ток, протекающий по цепи, обусловлен неосновными носителями заряда, но после определенного значения обратного напряжения происходит пробой. Стабилитрон имеет два типа пробоя: лавинный пробой и пробой стабилитрона, которые обсуждаются ниже.

Лавина

Лавинный пробой обычно возникает, если мы прикладываем очень высокое напряжение обратного смещения. В состоянии обратного смещения ток течет через цепь из-за неосновных носителей заряда. Если мы подаем высокое обратное напряжение, то эти неосновные носители заряда ускоряются и приобретают высокую скорость, следовательно, их движение увеличивается.Из-за своего быстрого движения они сталкиваются с окружающими их атомами и генерируют больше свободных электронов, и эти свободные электроны также вызывают столкновения, которые приводят к генерации еще большего количества свободных электронов, следовательно, через цепь протекает большой ток из-за увеличения количество носителей заряда. Это явление известно как лавинный прорыв. Обычные диоды обычно разрушаются из-за этого пробоя из-за выделения тепла из-за большого тока и высокого падения напряжения, но стабилитрон сконструирован таким образом, что он не повреждается из-за лавинного пробоя и может выдерживают большой ток.Лавинный пробой обычно наблюдается в тех стабилитронах, у которых напряжение на стабилитронах превышает 5 вольт.

Механизм лавинного разрушения

Стабилитрон

Явление пробоя стабилитрона обычно наблюдается в сильно легированных диодах. Из-за высокой концентрации легирования обедненный слой имеет очень узкую ширину. Если мы увеличим обратный потенциал, это приведет к генерации сильного электрического поля в области обеднения. Из-за этого высокого электрического поля электроны (электроны области истощения) получают высокую энергию и отделяются от своих родительских атомов, и из-за этого действия генерируется большое количество свободных электронов.Движение этих свободных электронов вызывает прохождение электрического тока через диод. Таким образом, наблюдается немедленное увеличение электрического тока при увеличении обратного напряжения на небольшую величину. Ток увеличивается до максимального значения, а затем стабилизируется и остается постоянным при различных значениях приложенного напряжения. Когда электрический ток превышает емкость диода, происходит пробой, и этот пробой известен как пробой Зенера, а напряжение, при котором он возникает, известно как напряжение Зенера.Пробой Зенера можно управлять, потому что количество генерируемых валентных электронов можно контролировать, управляя электрическим полем в области обеднения. Обычно используемые стабилитроны показывают пробой стабилитрона ниже 5 вольт, и они имеют отрицательный температурный коэффициент, то есть, если температура перехода увеличивается, напряжение пробоя стабилитрона уменьшается.

Различия в лавинном пробое и пробое стабилитрона

• Лавинный пробой происходит из-за столкновений электронов в обедненной области, а пробой Зенера происходит из-за сильного электрического поля.

• Лавинный пробой происходит в слабо легированных диодах с P-N переходом, но стабилитрон возникает в сильно легированных диодах с P-N переходом.

• Диод не может вернуться в исходное положение после лавинного пробоя, но может вернуться в исходное положение после пробоя стабилитрона.

• В случае пробоя стабилитрона электрическое поле в обедненной области больше, чем при лавинном пробое.

• В случае лавинного пробоя образуются как пары дырок, так и электроны, но пробой Зенера вызывается только потоком электронов из-за сильного электрического поля.

• Лавинный пробой происходит из-за высокого обратного напряжения, тогда как пробой Зенера происходит из-за низкого обратного напряжения.

• Лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, т. Е. Он увеличивается с повышением температуры, а пробой Зенера имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. уменьшается с повышением температуры.

• Зенеровский пробой показывает резкую кривую V-I характеристик по сравнению с лавинным пробоем.

Характеристики V-I стабилитрона

Вольт-амперная характеристика или вольт-амперная характеристика — это график, который представляет изменение тока по отношению к изменению напряжения, приложенного к переходу. Вольт-амперные характеристики стабилитрона делятся на две категории: прямые и обратные характеристики. Обсудим их подробнее.

Форвардные характеристики

Характеристики стабилитрона с прямым смещением представлены в первом квадранте графика, показанного выше.Из графика ясно видно, что характеристики смещения в прямом направлении стабилитрона такие же, как у нормального диода с фазовым переходом, то есть, если мы увеличиваем напряжение вокруг вывода, то ток, протекающий через цепь, также увеличивается. Однако величина тока, протекающего через стабилитрон, выше по сравнению с обычным P-N диодом из-за более высокой концентрации легирования в стабилитроне.

Обратные характеристики

Когда стабилитрон работает в состоянии обратного смещения, тогда сначала через цепь протекает лишь небольшая величина тока утечки из-за неосновных носителей заряда, которые генерируются термически, но когда приложенное обратное напряжение увеличивается до определенного значения. значение обратного напряжения, то происходит пробой, и наблюдается резкое увеличение обратного тока.Значение обратного напряжения, в котором произошел пробой, известно как напряжение Зенера (Vz), и этот эффект пробоя известен как эффект Зенера. Используя внешнее сопротивление, можно ограничить ток, проходящий через стабилитрон. Напряжение (В) через диод можно вычислить математически, используя следующее выражение:

В = Vz + ИзРз

Где Vz — напряжение пробоя по Зенеру, Iz — ток, протекающий через стабилитрон, а Rz — сопротивление стабилитрона.

Технические характеристики стабилитрона

При производстве стабилитрона тщательно учитываются различные типы спецификаций. Каждая спецификация влияет на общее функционирование стабилитрона. Соблюдая эти характеристики, мы можем понять рабочие характеристики любого конкретного стабилитрона. Вот некоторые характеристики стабилитрона.

1. Напряжение стабилитрона (Vz)

Напряжение стабилитрона — это напряжение на стабилитроне, при котором происходит пробой, поэтому оно также известно как напряжение обратного пробоя.При изготовлении стабилитронов их напряжение пробоя обычно поддерживается в диапазоне от 2,4 до 200 В. Однако для устройств поверхностного монтажа максимальное напряжение стабилитрона составляет около 47 вольт.

2. Максимальный ток (Iz-max)

Iz-max — это максимальный ток, который может протекать через стабилитрон при обратном напряжении пробоя. Он колеблется от 200 мкА до 200 А. Из-макс можно рассчитать по формуле

Iz = Pz / Vz

Где Pz — максимальная мощность, которую может выдержать диод, а Vz — обратное напряжение пробоя.

3. Минимальный ток (Из-мин)

Iz-min — это минимальная величина тока, необходимая для пробоя стабилитрона. Он колеблется от 5 мА до 10 мА.

4. Номинальная мощность (Pz)

Номинальная мощность — это максимальная мощность, которую стабилитрон может безопасно рассеивать. Обычно используемые значения мощности стабилитрона включают 400 мВт, 500 мВт, 1 мВт, 3 мВт и 5 мВт. Стабилитроны с высокой номинальной мощностью обычно дороги и требуют дополнительных устройств для отвода избыточного тепла.Максимальную рассеиваемую мощность (Pzm) стабилитроном можно рассчитать по приведенной формуле:

Pzm = Iz * Vz

Где Iz — максимальный ток, который может протекать через стабилитрон, а Vz — напряжение пробоя стабилитрона.

5. Сопротивление стабилитрона

Сопротивление стабилитрона или импеданс стабилитрона — это полное сопротивление стабилитрона протеканию электрического тока. Сопротивление стабилитрона также очевидно из графика обратной характеристики VI, поскольку оно не полностью вертикально, следовательно, есть небольшое изменение тока, протекающего при небольшом изменении напряжения на стабилитроне, и это изменение напряжения по отношению к диоду Зенера. ток — это сопротивление стабилитрона.В идеале он должен быть равен нулю, но каждый стабилитрон имеет некоторое сопротивление стабилитрона.

Импеданс стабилитрона стабилитрона рассчитывается по формуле:

R = Vi-Vz / Из

Где Vi — входное напряжение, Iz — ток, проходящий через стабилитрон, а Vz — напряжение пробоя стабилитрона.

6. Допуск стабилитрона

Допуск стабилитрона определяется как диапазон напряжений, близкий к напряжению пробоя, при котором стабилитрон проводит ток в обратном направлении.При изготовлении стабилитрона могут возникать небольшие различия в концентрациях легирования для одного и того же типа стабилитрона, что означает, что их напряжения пробоя также незначительно различаются, следовательно, один и тот же тип стабилитрона проводит обратный ток при разных значениях напряжения обратного пробоя, и этот диапазон напряжения пробоя стабилитронов называется их допуском. Обычно допуск напряжения стабилитрона составляет ± 5%.

7. Температурная стабильность

Напряжение обратного пробоя стабилитронов изменяется в зависимости от различных температурных условий, и оно показывает большую разницу в своем значении для разных степеней температуры в диапазоне от 0 ° C до 50 ° C.Таким образом, температурная стабильность — важный критерий, на который нужно обращать внимание при использовании стабилитронов в различных электрических цепях. Как мы читали выше, лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, и он преобладает при напряжении выше 5 вольт, в то время как пробой на стабилитроне имеет отрицательный температурный коэффициент, и он преобладает при напряжении ниже 5 вольт. Имея это в виду, стабилитроны с напряжением пробоя 5 В обычно производятся, так как они обеспечивают лучшую температурную стабильность.

8.Температура перехода

Когда обратный электрический ток проходит через переход стабилитрона, там выделяется тепло, поэтому область перехода сравнительно горячее, чем внешний корпус стабилитрона, потому что тепло оттуда рассеивается. При изготовлении стабилитрона следует тщательно учитывать надлежащие характеристики внутренней и внешней температуры диода. Обычно температура перехода стабилитрона поддерживается в пределах от 175 ° C до 200 ° C.

9.Пакет

Стабилитрон

может быть упакован по-разному. Однако широко используемые методы упаковки включают традиционные устройства с выводами и упаковку для поверхностного монтажа (в технологии поверхностного монтажа (SMT) различные электрические компоненты устройства устанавливаются непосредственно на поверхности печатных плат (PCB)). Упаковка выбирается в соответствии с требованиями к уровню рассеивания тепла в устройстве.

Применение стабилитрона

Регулятор напряжения

Одним из наиболее важных применений стабилитрона является то, что он используется в качестве регулятора напряжения.Функция регулятора напряжения заключается в поддержании постоянного выходного напряжения для широкого диапазона входных напряжений и токов. Для использования стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения шунтирующее сопротивление (Rs) последовательно подключается к входному напряжению и стабилитрону. Далее сопротивление нагрузки подключается параллельно стабилитрону в режиме обратного смещения. Шунтирующее сопротивление Rs отсекает избыточное количество тока и позволяет только ограниченному току проходить через стабилитрон и, следовательно, контролирует колебания напряжения и поддерживает постоянное выходное напряжение на сопротивлении нагрузки {R} _ {L}.

Защита от перенапряжения

Иногда ток в электрических устройствах превышает нормальное значение, что может привести к повреждению устройства, но это повреждение можно минимизировать, используя стабилитрон в электрической цепи, поскольку он защищает цепь, регулируя входное напряжение, и позволяет поддерживать постоянное напряжение на выходной терминал. Стабилитроны, наряду с кремниевым управляющим выпрямителем (SCR), используются в различных схемах, поскольку они контролируют высокую мощность и высокое напряжение в электронных схемах.

Выключатели электрические

Стабилитрон

может производить резкие изменения от минимального тока до максимального, поэтому его можно использовать в качестве переключателя.

Защита мультиметра

Еще одним важным применением стабилитрона является то, что он используется для защиты мультиметра. Стабилитрон подключен параллельно мультиметру, он регулирует напряжения и защищает мультиметр от повреждения из-за чрезмерного протекания тока в электрической цепи.Стабилитрон легко выдерживает высокие пробивные напряжения, поскольку в них высокая концентрация легирования.

Формирователь волны или ограничитель формы волны

Стабилитрон

также используется в качестве формирователя волны, поскольку он может изменять форму волны переменного тока и может преобразовывать синусоидальную волну в прямоугольную. Для этого два стабилитрона, обращенных друг к другу, соединены последовательно с сопротивлением R. Стабилитрон обеспечивает высокое сопротивление, если входное напряжение на клеммах меньше напряжения пробоя стабилитрона во время положительного и отрицательного полупериода входной синусоидальной волны, и напряжение на стабилитроне (Vz) появится на выходе (Vo).Стабилитрон предлагает низкое сопротивление, если входное напряжение больше, чем напряжение пробоя стабилитрона, что позволяет большому току проходить через стабилитрон, и мы видим большое падение напряжения на сопротивлении R, и стабилитрон ограничивает избыточное напряжение. , следовательно, входной синусоидальный сигнал обрезается. Таким образом, мы можем получить прямоугольный сигнал на выходе. Таким образом, стабилитрон используется как ограничитель волн, и эти схемы в основном используются для устранения помех в телевизионных и FM-передатчиках.

Переключатель напряжения

Стабилитрон

может действовать как переключатель напряжения. Если мы используем стабилитрон и сопротивление R в цепи, входное напряжение может быть сдвинуто до напряжения пробоя стабилитрона.

Преимущества стабилитрона

• Стабилитрон экономичен.

• Поддерживает и регулирует входное напряжение.

• Имеет простую схему и очень совместим.

• Широко применяется в электрических цепях для защиты устройств от перенапряжений.

• Обеспечивает постоянное напряжение на выходной клемме.

• Имеет возможность контролировать превышение протекания тока в цепи.

• Используется как ограничитель формы сигнала.

Недостатки стабилитрона

• Чтобы нейтрализовать избыточное входное напряжение, стабилитрон применяет еще большее обратное напряжение, которое потребляет много электроэнергии в этом процессе.

• Стабилитрон не подходит, если ток нагрузки очень высок, поскольку их эффективность снижается при высоких токах нагрузки.

• Из-за сопротивления стабилитрона выходное напряжение немного изменяется.

• Показывает высокий внутренний импеданс в цепи.

• Транзисторы более предпочтительны, чем стабилитроны для регулирования напряжения, поскольку они имеют лучший коэффициент регулирования.

• Поскольку напряжение стабилитрона равно выходному напряжению (Vo = Vz), мы не можем регулировать выходное напряжение.

Стабилитрон — Electronics-Lab.com

Стабилитрон

Диод — это простейшая форма полупроводникового прибора, в которой полупроводники P-типа и N-типа сплавлены вместе, образуя PN-переход.Вокруг этого PN-перехода образуется обедненный слой, содержащий противоположные ионы. Стабилитрон — это тип диода, и основное различие между простым диодом и стабилитроном заключается в уровне легирования полупроводниковых материалов. Уровень легирования полупроводникового материала контролируется в процессе производства. Стабилитроны имеют высокий уровень легирования, что также способствует их характеристикам для работы при различных уровнях напряжения. Из-за такого высокого уровня легирования обедненный слой PN-перехода тоньше по сравнению с PN-переходом простого диода.Это дает специальные характеристики стабилитрону для работы в обратном направлении .

Рисунок 1: Отображение символа стабилитрона с анодом и катодом

Характеристики с прямым смещением

Прямая характеристика стабилитрона аналогична характеристике простого диода, а прямой ток является экспоненциальной функцией от падения напряжения в прямом направлении. Небольшое изменение падения напряжения вызывает быстрое увеличение тока. Обычно падение напряжения 0.7 Вольт на PN-переходе достаточно для смещения стабилитрона в прямом направлении. Стабилитрон с прямым смещением показан ниже:

. Рисунок 2: Стабилитрон (1N4737A) с прямым смещением

Характеристики с обратным смещением

Диод при работе в режиме обратного смещения ток через него не протекает до тех пор, пока не произойдет лавинный пробой при достижении определенного обратного напряжения. В этом случае большой поток электронов может повредить сигнальный диод. Однако в стабилитроне пробой стабилитрона происходит из-за сильного электрического поля, создаваемого тонким обедняющим слоем PN перехода.Напряжение, при котором происходит пробой стабилитрона, называется В _Z (напряжение стабилитрона). Стабилитроны производятся с разными уровнями напряжения стабилитрона в зависимости от применения и требований к напряжению. Как только происходит пробой стабилитрона, дальнейшее увеличение обратного напряжения не вызывает дальнейшего падения напряжения и остается постоянным до определенного уровня напряжения до тех пор, пока не произойдет лавинный пробой. Вкратце, для стабилитрона с обратным смещением он остается выключенным (протекает незначительный ток) от 0 В до напряжения стабилитрона (V _Z ).От V _Z до лавинного пробоя небольшие изменения приложенного напряжения вызывают быстрое увеличение обратного тока.

Рисунок 3: Стабилитрон (1N4737A) с обратным смещением

Характеристики типичного стабилитрона показаны на следующем рисунке:

Рисунок 4: Характеристики стабилитрона при прямом и обратном смещении

Технические характеристики

Подобно другим электронным компонентам, стабилитроны имеют номинальные характеристики / характеристики, при которых они могут работать, такие как номинальное напряжение, максимальное обратное напряжение, рассеиваемая мощность, номинальная мощность, упаковка и т. Д.Обычно используемые спецификации:

• Напряжение стабилитрона (В _Z ): Напряжение обратного пробоя (нормальный диапазон: от 2 В до 1000 В).
• Ток стабилитрона (I _Z ): Максимальный номинальный ток при напряжении стабилитрона (нормальный диапазон: от 200uA до 200A).
• Номинальная мощность: Максимальная мощность, которую может рассеять стабилитрон. Это простое умножение напряжения стабилитрона (V _Z ) и максимального тока стабилитрона (I _Z ).
• Допуск напряжения: Обычно ± 5%.
• Сопротивление стабилитрона (R _Z ): Сопротивление стабилитрона.
• Пакет: THT, SMD и PDIP (интегральные схемы).

Применение стабилитрона

Стабилитрон имеет большое количество применений в электронных схемах, и некоторые из них перечислены ниже:

Регулятор напряжения:

Чаще всего стабилитроны используются в источниках питания в качестве регулятора напряжения.При пробое стабилитрона и за его пределами в обратном направлении падение напряжения, то есть напряжение стабилитрона (V _Z ), остается постоянным, и любое изменение приложенного напряжения не вызывает его изменений. Стабилитрон с обратным смещением, включенный последовательно с токоограничивающим резистором, подает постоянное напряжение на нагрузки, подключенные параллельно ему. Напряжение нагрузки остается равным напряжению стабилитрона (V _Z ).

Пример Рисунок 5: Стабилитрон как стабилизатор / регулятор напряжения

По крайней мере, для схемы, представленной на рисунке 5, требуется _{В постоянного тока} с напряжением 12 В для получения выходного сигнала 7.5В при нагрузке 1КОм.

Более усовершенствованная схема регулирования напряжения может быть разработана с помощью операционного усилителя, который показан ниже на рисунке 6:

Рисунок 6: Улучшенная схема стабилизации напряжения с использованием стабилитрона и операционного усилителя.

Стабилитрон помещен на неинвертирующий вход операционного усилителя, устанавливая напряжение Зенера в качестве опорного напряжения (V ₁ ). Другой вход, то есть инвертирующий (V ₂ ), берется из выходного напряжения.Напряжение V ₂ зависит от выходного напряжения (V _из ), и любое изменение выходного напряжения отражается обратно в V ₂ . Увеличение нагрузки приводит к падению выходного напряжения, что приводит к падению входного напряжения (V ₂ ). Операционный усилитель пытается сохранить оба входа, т.е. V ₁ = V _Z и V ₂ равными, и для достижения этого условия выходное напряжение операционного усилителя (V _o ) увеличивается, что приводит к компенсации падения напряжения. напряжение нагрузки.Аналогично, всякий раз, когда происходит уменьшение нагрузки, увеличение V ₂ приводит к тому, что операционный усилитель снижает свое выходное напряжение (V _O ). Это уменьшило базовый ток транзистора (Q ₁ ) и, следовательно, уменьшилось выходное напряжение.

Уравнение для выходного напряжения этой цепи имеет вид:

Например, чтобы получить выходное напряжение 10 В:

Требуется стабилитрон с напряжением стабилитрона 5 В.

Защита от перенапряжения

Для схемы, показанной на рисунке 7, любое напряжение выше пробоя стабилитрона вызывает протекание тока через резистор.На этом резисторе происходит падение напряжения, которое включает транзистор и замыкает путь. Сильный ток течет и размыкает предохранитель, чтобы отключить цепь.

Рисунок 7: Стабилитрон в схеме защиты от перенапряжения

Схемы ограничения

Когда на стабилитрон подается переменное напряжение, любое напряжение выше пробоя стабилитрона отсекается. Два диода, соединенные последовательно с противоположными направлениями, вызывают ограничение переменного тока как в положительном, так и в отрицательном цикле.Примером схемы ограничения является преобразователь синусоидальной формы в прямоугольную.

Рисунок 8: Стабилитрон в цепи ограничения волны

Вывод

• Стабилитрон ведет себя как простой диод (включен) при прямом смещении.
Стабилитрон
• может действовать как переключатель (выключение) при обратном смещении до напряжения стабилитрона (В _Z ).
• От напряжения стабилитрона (V _Z ) до лавинного пробоя выходной сигнал стабилитрона остается довольно постоянным, равным напряжению стабилитрона (V _Z ).
• При работе в режиме стабилитрона небольшое изменение входного напряжения вызывает быстрое увеличение тока стабилитрона (I _Z ), которое можно ограничить с помощью последовательного резистора (R _S ).
• стабилитроны используются наиболее часто в источниках питания, регуляторы напряжения, схемы защиты, и waveshapers.
• Перед использованием стабилитрона всегда рекомендуется обращаться к его техническому описанию, чтобы узнать его номинальные параметры в соответствии с проектными требованиями.

Связанные

диодов Зенера, работа, справочный и приложение

стабилитрон является одним из типов диодов, которые часто используются в любой скамейке электроники.Это связано с тем, что стабилитроны почти всегда используются в цепях питания и схемах формирования сигналов. Стабилитроны похожи на обычные диоды с PN переходом, хотя они сильно легированы. Это заставляет диод вести себя иначе, чем сигнальный диод, когда он работает в области обратного смещения.

И сигнальный диод, и стабилитрон работают одинаково в области прямого смещения. При обратном смещении сигнальный диод блокирует любой ток от катода к аноду. Только незначительное количество обратного тока, включая обратный ток насыщения и ток тела, протекает через диод в диапазоне нА или мкА.Этот ток настолько мал по сравнению с током любой цепи, что не может управлять нагрузкой. Ток цепи обычно находится в диапазоне мА. Когда обратное напряжение увеличивается сверх определенного напряжения, называемого напряжением Колена, ток через диод от катода к аноду возрастает экспоненциально, вскоре достигая уровня тока в цепи. В этот момент поврежден сигнальный диод или диод питания. Сигнальные диоды часто выходят из строя, в то время как силовые диоды выходят из строя при коротком замыкании. Следовательно, сигнальный диод и силовой диод всегда позволяют току течь только в одном направлении, т.е.е., от анода к катоду. Любое чрезмерное напряжение, прикладываемое для протекания тока от катода к аноду, ломает диод.

Стабилитрон другой. Он позволяет току течь в обоих направлениях. Однако обратный ток (от катода к аноду) может течь только тогда, когда обратное напряжение выше точно номинального напряжения, то есть напряжения Зенера. Когда стабилитрон проводит ток цепи в состоянии обратного смещения, он понижает напряжение на стабилитроне и позволяет результирующему току цепи течь через него.

Что такое стабилитрон?
Стабилитрон — это сильно легированный полупроводниковый диод, предназначенный для работы в обратном направлении (от катода к аноду). Эти диоды предназначены для обратного пробоя при резком, четко определенном «обратном напряжении», так что они могут работать в области обратного смещения без пробоя. Конкретное напряжение, при котором стабилитрон имеет обратный пробой, называется «напряжением стабилитрона». Стабилитроны доступны с широким диапазоном напряжений стабилитрона, обычно от 1.От 8 до 200 В. Стабилитрон проводит ток в обратном направлении, только когда приложенное напряжение выше, чем его напряжение стабилитрона.

Электрический символ стабилитрона отличается от обычного диода. Обычный диод (сигнальный или силовой) показан в цепи следующим символом.

Следующий символ показывает стабилитрон.

Обратите внимание на загнутые края на полосе в символе стабилитрона. На принципиальной схеме важно отличать стабилитрон от обычного диода.Обычные диоды не проводят ток в ответ на обратное напряжение и действуют как разомкнутые цепи. Стабилитрон проводит от катода к аноду, если обратное напряжение больше его напряжения Зенера. Этот факт всегда нужно учитывать при анализе данной схемы.

Как работает стабилитрон
Стабилитрон — это сильно легированный полупроводниковый диод. Обычный полупроводниковый диод в режиме обратного насыщения страдает от лавинного пробоя, когда приложенное напряжение превышает напряжение Колена.Лавинный пробой в обычных диодах приводит к их поломке, вызывая их разрыв цепи (часто в случае сигнальных диодов) или короткое замыкание (часто в случае силовых диодов).

Стабилитроны

при обратном насыщении демонстрируют два вида пробоя — лавинный пробой и пробой стабилитрона. Стабилитрон не выходит из строя ни при пробое стабилитрона, ни при лавинном пробое.

Когда на обычный полупроводниковый диод подается обратное напряжение, его обедненная область расширяется из-за воздействия приложенных электрических полей.Ширина обедненной области продолжает увеличиваться по мере увеличения приложенного обратного напряжения. Все это время небольшой обратный ток насыщения течет от катода к аноду из-за неосновных носителей заряда. При определенном обратном напряжении, напряжении «колена», неосновные носители заряда обладают достаточной кинетической энергией из-за электрического поля в области обеднения, чтобы они начали сталкиваться со стационарными ионами, выбивая больше свободных электронов. Вновь сгенерированные свободные электроны также приобретают аналогичную кинетическую энергию из-за электрического поля в области обеднения.Они также сталкиваются с неподвижными ионами, выбивая еще большее количество свободных электронов. Это работает как цепная реакция, при которой через область обеднения накапливается большой ток, в результате чего диод становится проводящим. Это называется «лавина».

У стабилитрона другой вид пробоя при обратном смещении. Это называется пробоем Зенера, который происходит еще до пробоя Лавины. Стабилитрон сильно легирован. Он имеет большее количество примесных атомов, чем обычный диод, поэтому большее количество ионов находится в обедненной области.Из-за большего количества ионов обедненная область стабилитрона очень тонкая. В обедненной области имеется более сильное электрическое поле из-за ее малой ширины. Из-за сильного электрического поля в обедненной области валентные электроны ионов попадают в зону проводимости, и большой ток начинает течь от катода к аноду.

Обратите внимание, что лавинный пробой является результатом столкновения неосновных носителей заряда с ионами в обедненной области.В то же время пробой Зинера — это квантовое явление, которое происходит из-за того, что валентные электроны переместились из валентной зоны в зону проводимости под действием электрического поля через узкую обедненную область.

Пробой Зенера происходит до пробоя «Лавины». Лавинный пробой не происходит при определенном напряжении и во многом зависит от условий работы диода и схемы. Пробой стабилитрона происходит при резком напряжении, напряжении стабилитрона, которое задается уровнем легирования диода.Когда стабилитрон выходит из строя, он становится проводящим от катода к аноду, и вероятность «лавинного» пробоя исключена.

Когда стабилитрон начинает проводить обратное смещение, падение напряжения на нем фиксируется на уровне стабилитрона ‘, на которое не влияют изменения напряжения от источника. Тем не менее, ток через стабилитрон может варьироваться в зависимости от тока цепи, потребляемого нагрузкой. Как только ток нагрузки установлен, ток через стабилитрон также стабилизируется.

В стабилитронах

используются оба явления — стабилитрон и лавинный пробой. Если напряжение стабилитрона достигает 6 В, он начинает проводить обратное смещение при напряжении стабилитрона из-за пробоя стабилитрона. Если номинальное напряжение стабилитрона больше 6 В, стабилитрон проводит лавинный пробой при номинальном напряжении. Стабилитроны проводят более высокий ток, когда они являются проводящими из-за лавинного пробоя, чем когда они проводят из-за пробоя стабилитрона.

Когда стабилитрон смещен в прямом направлении, он работает как обычный диод.Из-за высокого уровня допирования максимальный прямой ток стабилитрона всегда больше, чем у обычных диодов.

Упаковка стабилитронов
Стабилитроны бывают как в сквозных, так и в SMD корпусах. Модели со сквозным отверстием обычно закрыты стеклом, чтобы обеспечить рассеивание большой мощности. Оба типа пакетов имеют полосу на одном конце для обозначения катода.

Подключение стабилитрона в цепи
В цепи / сети стабилитрон может быть подключен либо к нагрузке последовательно с диодом, либо к нагрузке, подключенной параллельно диоду.Стабилитрон всегда подключен для работы в обратном направлении.

Когда стабилитрон включен последовательно с нагрузкой, подаваемое напряжение падает на стабилитрон диода, а оставшееся напряжение появляется на анодном конце стабилитрона. Обычно к стабилитрону последовательно подключают резистор. Этот резистор и оставшееся сопротивление цепи нагрузки определяют ток через стабилитрон. Такой же ток протекает через нагрузку и через стабилитрон.

Когда стабилитрон подключен к нагрузке параллельно, то же напряжение применяется к сети нагрузки до тех пор, пока приложенное напряжение не станет меньше напряжения стабилитрона. Когда приложенное напряжение превышает напряжение стабилитрона, в цепи нагрузки появляется только падение напряжения стабилитрона на диоде. Таким образом, напряжение в сети нагрузки никогда не превышает напряжения стабилитрона. Теперь ток через сеть нагрузки зависит от напряжения стабилитрона и сопротивления нагрузки. Если резистор или другая сеть уже подключены последовательно к стабилитрону (и сети нагрузки) перед источником напряжения, ток уже ограничен этим резистором или сетью.

Ссылка на стабилитрон
Доступны сотни моделей стабилитронов. В следующей таблице перечислены некоторые из популярных стабилитронов.

Применение стабилитрона
Обратите внимание, что этот список не является исчерпывающим. Этот список — всего лишь попытка перечислить популярные стабилитроны с напряжением стабилитрона до 6 В. Эта таблица может служить отправной точкой для изучения стабилитронов.

Стабилитрон имеет следующие общие области применения:

1. Опорное напряжение: Когда на цепь нагрузки необходимо подавать фиксированное напряжение, ее можно подключить параллельно стабилитрону с таким же напряжением стабилитрона.Таким образом, напряжение на нагрузочном устройстве / сети будет таким же, как напряжение стабилитрона, но никогда не будет выше этого. Источник напряжения на стабилитроне должен быть больше, чем напряжение на стабилитроне; в противном случае стабилитрон не будет проводить в обратном направлении, и на нагрузке появится приложенное напряжение, меньшее, чем напряжение стабилитрона.

Обратите внимание, что это не идеальное регулирование напряжения. В приведенной выше схеме ток нагрузки ограничивается сопротивлением.Напряжение на нагрузке может изменяться в зависимости от тока, потребляемого самой нагрузкой. Напряжение также может изменяться в зависимости от температуры.

2. Многорельсовый источник питания — Многорельсовый источник питания может быть спроектирован с использованием нескольких стабилитронов. Стабилитроны можно подключать последовательно, чтобы обеспечить разные падения напряжения. Это то же самое, что использовать стабилитрон для опорного напряжения. Один стабилитрон используется в качестве простого источника опорного напряжения для обеспечения фиксированного падения напряжения в сети нагрузки. Несколько стабилитронов используются в многорельсовых источниках питания для обеспечения симметричных и / или возрастающих падений напряжения.Помните, что ток через стабилитроны должен быть достаточным для управления нагрузочной сетью. Для этого сами стабилитроны должны иметь соответствующую номинальную мощность, и не должно быть сети или сопротивления, ограничивающих ток через стабилитроны сверх требуемых уровней тока на нагрузке. Ниже представлена ​​симметричная шина питания с стабилитронами.

Ниже представлена ​​еще одна схема многорельсового питания с использованием стабилитронов.

3. Фиксация напряжения: сигналы переменного тока могут быть ограничены с помощью стабилитрона.Если пиковая амплитуда сигнала переменного тока равна Vpeak high, стабилитрон с напряжением стабилитрона Vz может зафиксировать положительный пик на уровне Vz, подключив выход к катоду стабилитрона и подключив анод стабилитрона к земле. Уровень фиксированного сигнала можно увеличить выше Vz, подключив положительную шину требуемого приращения к аноду стабилитрона, а не подключив ее к земле. Это также полностью удалит отрицательный цикл с вывода.

Даже два стабилитрона могут быть соединены последовательно в противоположных направлениях для получения симметричного ограничения входного сигнала переменного тока.

4. Преобразование напряжения — стабилитрон можно использовать для сглаживания входного питания регулятора напряжения. Подключив стабилитрон последовательно с источником напряжения к регулятору напряжения, источник входного напряжения может быть понижен на Vz. По сравнению с резистором, понижающим напряжение, стабилитрон на своем месте может выдерживать все изменения тока нагрузкой на другом конце регулятора напряжения.

Как выбрать стабилитрон
Двумя наиболее важными факторами, определяющими выбор стабилитрона для конкретного применения, являются его «напряжение стабилитрона» и номинальная мощность.Стабилитрон должен выбираться по напряжению стабилитрона, которое должно падать при его последовательном соединении, или он должен обеспечивать параллельное соединение. Во-вторых, его номинальной мощности должно быть достаточно, чтобы не ограничивать ток, потребляемый устройством нагрузки или сетью.

---

В рубрике: Избранные, Технические статьи
С тегами: лавинный пробой, различные типы диодов, типы диодов, принцип работы стабилитрона, пробой стабилитрона, стабилитрон, применение стабилитронов, модели стабилитронов, многорельсовые стабилитроны, Источник питания стабилитрона, ограничение напряжения стабилитрона, регулировка напряжения стабилитрона, преобразование напряжения стабилитрона, работа стабилитрона, эталон стабилитрона, напряжение стабилитрона

---

Стабилитрон — определение, характеристики VI и пробой стабилитрона

А нормальный п-п переходной диод пропускает электрический ток только в прямом направлении. предвзятое состояние.Когда прямое смещение приложено к диод p-n перехода, он позволяет большое количество электрического ток и блокирует только небольшое количество электрического тока. Следовательно, нападающий смещенный диод на p-n переходе предлагает лишь небольшой сопротивление электрическому току.

Когда обратное смещенное напряжение подается на диод p-n перехода, он блокирует большое количество электрического тока и позволяет только небольшое количество электрического тока.Следовательно, обратное смещенный диод на p-n переходе обеспечивает большое сопротивление электрический ток.

Если Напряжение обратного смещения, приложенное к диоду с p-n переходом, равно сильно увеличивается, происходит внезапное повышение тока. На это точка, небольшое повышение напряжения быстро увеличивает электрический ток. Этот внезапное повышение электрического тока вызывает пробой перехода называется стабилитрон или лавинный пробой.Напряжение, при котором Пробой стабилитрона называется напряжением стабилитрона, и внезапное увеличение тока называется током стабилитрона.

А нормальный диод p-n перехода не работает при пробое области, потому что избыточный ток необратимо повреждает диод. Обычные диоды с p-n переходом не предназначены для работают в области обратного пробоя.Следовательно, нормальный p-n переходной диод не работает в области обратного пробоя.

Что такое стабилитрон?

А стабилитрон — это особый тип устройства, предназначенный для работы в области пробоя стабилитрона. Стабилитроны работают как обычно Диоды с p-n переходом в прямом смещении. Когда на стабилитрон подается напряжение прямого смещения. допускает большое количество электрического тока и блоков только небольшое количество электрического тока.

Стабилитрон

сильно нагружен. легированный, чем обычный диод с p-n переходом. Следовательно, у него очень тонкое истощение область. Следовательно, стабилитроны позволяют увеличить электрическую мощность. ток, чем нормальные диоды с p-n переходом.

Стабилитрон

позволяет электрический ток в прямом направлении, как обычный диод но также пропускает электрический ток в обратном направлении, если приложенное обратное напряжение больше стабилитрона Напряжение.Стабилитрон всегда подключен в обратном направлении направление, потому что он специально разработан для работы в обратное направление.

стабилитрон определение

А Стабилитрон — это полупроводниковый прибор с p-n переходом, разработанный работать в области обратного пробоя. Поломка напряжение стабилитрона тщательно настраивается путем управления уровень легирования при производстве.

название стабилитрон был назван в честь американского физика Кларенс Мелвин Зенер, открывший эффект Зенера. Зинер диоды являются основными строительными блоками электронных схем. Они широко используются во всех видах электронного оборудования. Стабилитроны в основном используются для защиты электронных схем. от перенапряжения.

Обрыв в стабилитрон

Там Есть два типа областей обратного пробоя в стабилитроне: лавинный пробой и пробой стабилитрона.

Лавина поломка

лавина пробой происходит как в нормальных диодах, так и в стабилитронах при высокое обратное напряжение. Когда приложено высокое обратное напряжение к диоду p-n перехода, свободный электроны (неосновные носители) получают большое количество энергии и разогнался до больших скоростей.

свободные электроны, движущиеся с высокой скоростью, будут сталкиваться с атомами и выбить больше электронов.Эти электроны снова ускоряется и сталкивается с другими атомами. Из-за этого непрерывное столкновение с атомами, большое количество свободных электроны генерируются. В результате электрический ток в диод быстро увеличивается. Это внезапное увеличение электрический ток может навсегда разрушить нормальный диод. Однако лавинные диоды нельзя разрушить, потому что они тщательно спроектированы для работы в лавинных условиях область.Лавинный пробой происходит в стабилитронах с напряжение стабилитрона (В _z ) более 6 В.

стабилитрон поломка

Пробой стабилитрона происходит в сильно легированных диодах с p-n переходом из-за их узкой области истощения. При обратном смещенное напряжение, приложенное к диоду, увеличивается, узкая область истощения генерирует сильное электрическое поле.

Когда обратное смещенное напряжение, приложенное к диоду, достигает близкое к напряжению стабилитрона электрическое поле в область обеднения достаточно сильна, чтобы вытягивать электроны из их валентная группа. Валентные электроны, которые получают достаточная энергия от сильного электрического поля область истощения нарушит связь с родительским атомом.Балдахин электроны, которые разрывают связь с родительским атомом, будут становятся свободными электронами. Эти свободные электроны несут электрический ток. ток из одного места в другое. При пробое стабилитрона области, небольшое увеличение напряжения будет быстро увеличиваться электрический ток.

• стабилитрон пробой происходит при низком обратном напряжении, а лавинный пробой происходит при высоком обратном напряжении.
• стабилитрон в стабилитронах происходит пробой, потому что у них очень тонкая область истощения.
• Разбивка Область является нормальной рабочей областью стабилитрона.
• стабилитрон Пробой происходит в стабилитронах при напряжении стабилитрона (В _z ) менее 6В.

Символ стабилитрон

Символ стабилитрона показан на рисунке ниже.Стабилитрон состоит из двух выводов: катода и анода.

В стабилитрон, электрический ток течет от обоих анодов к катод и катод к аноду.

символ стабилитрона аналогичен нормальному p-n переходу диодный, но с загнутыми краями на вертикальной полосе.

VI характеристики стабилитрона

VI характеристики стабилитрона показаны ниже. фигура.При подаче напряжения прямого смещения на стабилитрон диод, работает как обычный диод. Однако при обратном на стабилитрон подается смещенное напряжение, он работает в по-разному.

Когда Обратно смещенное напряжение подается на стабилитрон, он допускает только небольшое количество тока утечки до тех пор, пока напряжение меньше напряжения стабилитрона.При обратном смещении напряжение, приложенное к стабилитрону, достигает напряжения стабилитрона, он начинает пропускать большое количество электрического тока. На это точка, небольшое увеличение обратного напряжения быстро увеличивает электрический ток. Из-за этого внезапного подъема в электрическом токе происходит пробой, называемый стабилитроном авария. Однако стабилитрон демонстрирует управляемый поломка, приводящая к повреждению устройства.

Напряжение пробоя стабилитрона зависит от количество примененного допинга. Если диод сильно легирован, Пробой стабилитрона происходит при малых обратных напряжениях. С другой стороны, если диод слабо легирован, пробой стабилитрона возникает при высоких обратных напряжениях. Доступны стабилитроны с напряжениями стабилитрона в диапазоне 1.От 8 В до 400 В.

Преимущества стабилитрона

• Мощность рассеивающая способность очень высокая
• Высокий точность
• Малый размер
• Низкая стоимость

Приложения стабилитрона

• Обычно используется как источник опорного напряжения
Стабилитроны
• используются в стабилизаторах напряжения или шунтах. регуляторы.
Стабилитроны
• используются в коммутационных операциях
Стабилитроны
• используются в схемах отсечки и зажима.
Стабилитроны
• используются в различных схемах защиты

Типы диодов

различные типы диодов следующие:

1. стабилитрон диод
2. Лавинный диод
3. Фотодиод
4. Свет Излучающий диод
5. Лазер диод
6. Туннель диод
7. Шоттки диод
8. Варактор диод
9. П-Н переходной диод

Глоссарий терминов по электронным стабилитронам

Словарь терминов по электротехнике
«A» «B» «C», «D», «E», «F», «ГРАММ», «ЧАС», «Я», «J», «К», «L», «М»,
«Н», «О», «П», «Q», «Р», «S», «Т», «U», «V», «W», «ИКС», «Y», «Z»

Стабилитрон : предназначен для проведения в обратном направлении [смещения]: с точным напряжением пробоя [Vz].Также обратитесь к списку производителей стабилитронов, который включает обозначения типов диодов. И правительство, и военные называют стабилитроны диодом-стабилизатором напряжения. Таким образом, термин «стабилитрон» может не встречаться во многих документах или спецификациях, которые фактически относятся к этим типам диодов. Стабилитроны
доступны как для поверхностного монтажа, так и для сквозных отверстий.

Пробой стабилитрона: Обратное напряжение пробоя стабилитрона. Это напряжение, указанное в техническом паспорте как напряжение стабилитрона, и нормальная область, в которой работает диод.

Эффект стабилитрона: Эффект обратного пробоя в диодах, в которых пробой происходит при обратном напряжении ниже 5 вольт. Наличие поля высокой энергии на стыке полупроводника вызывает пробой. См. Кривую ниже.

Кривая электрических характеристик диода

Стабилитрон: Стабилитрон, используемый для ограничения напряжения на определенном уровне для защиты другого устройства, а не в качестве источника опорного напряжения.В некоторых случаях диод также используется последовательно со стабилитроном. Этот термин относится к способу использования стабилитрона в цепи, а не к какой-либо характеристике диода.

Импеданс стабилитрона: Импеданс стабилитрона при пробивном напряжении. В таблице данных может быть указано Vz или просто «Z» для импеданса.

Ток стабилитрона: Обратный ток, протекающий через стабилитрон при напряжении пробоя. Ток стабилитрона обозначен как Iz в техническом описании.

Напряжение стабилитрона: Напряжение пробоя стабилитрона. Аббревиатура Vz используется в технических данных для обозначения напряжения стабилитрона. Диоды обычно сортируются по напряжению пробоя [Vz], а затем по току пробоя [Iz].

Диод — это устройство с двумя выводами, использующее PN переход [Производители диодов]. Диоды могут быть изготовлены из кремния, германия, селена или арсенида галлия. Большинство диодов будут быть изготовленным из кремния. Обычно прямое падение напряжения 0.7 вольт будет наблюдается с кремниевыми диодами, и прямое падение напряжения 0,3 вольт будет замечено с германиевыми диодами.
Диоды в основном используются в качестве переключающих устройств. В то время как стабилитрон используются в качестве опорного напряжения.

Техническое примечание: Конечно, стабилитрон будет показан на схеме с символом стабилитрона. Однако двух- или трехконтактный прецизионный источник опорного напряжения также может быть изображен с тем же символом стабилитрона и, следовательно, вовсе не может быть стабилитроном.В качестве примера обратитесь к определению опорного напряжения, а также к рисунку, показанному для символа, и рисунку, который изображает реальную схему [вообще не физический диод].

Примечание производителя: Хотя это не имеет значения для частей с осевыми выводами, некоторые корпуса диодов могут поставляться с двумя разными полярностями. То есть, у диода болтового типа [DO-4 Package] анод может быть соединен со стороной болта устройства с одним номером детали, но катод соединен с частью болта, используя немного другой номер детали.

No related posts.