Меню

Как изменяется ток стабилитрона при увеличении напряжения

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

У полупроводникового диода множество «профессий». Он может выпрямлять напряжение, развязывать электрические цепи, предохранять оборудование от неправильной подачи питания. Но есть не совсем обычный вид «работы» диода, когда его свойство односторонней проводимости используется очень косвенно. Полупроводниковый прибор, для которого нормальным режимом является обратное смещение, называется стабилитроном.

Внешний вид стабилитрона.

Что такое стабилитрон, где используется и какие бывают

Стабилитрон, или диод Зенера (по имени американского ученого, первым изучившим и описавшим свойства этого полупроводникового прибора), представляет собой обычный диод с p-n переходом. Его особенность – работа на участке характеристики с отрицательным смещением, то есть, когда напряжение прикладывается в обратной полярности. Используется такой диод в качестве самостоятельного стабилизатора, поддерживающего напряжение потребителя постоянным вне зависимости от изменения тока нагрузки и колебаний входного напряжения. Также узлы на стабилитронах применяются в качестве источников опорного напряжения для других стабилизаторов с развитой схемой. Реже диод с обратным включением используется в качестве элемента формирования импульсов или защитного ограничителя от перенапряжений.

Существуют обычные стабилитроны и двуханодные. Двуханодный стабилитрон — это два диода, включенные встречно в одном корпусе. Его можно заменить двумя отдельными приборами, включив их по соответствующей схеме.

Изображение на электрической схеме стабилитрона и двуханодного стабилитрона.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его принцип работы

Чтобы разобраться с принципом работы стабилитрона, надо изучить его типовую вольт-амперную характеристику (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона.

Если к зенеру приложить напряжение в прямом направлении, как к обычному диоду, то он и вести себя будет подобно обычному диоду. При напряжении около 0,6 В (для кремниевого прибора) он откроется и выйдет на линейный участок ВАХ. По теме статьи более интересно поведение стабилитрона при приложении напряжения обратной полярности (отрицательная ветвь характеристики). Сначала сопротивление его резко возрастет, и прибор перестанет пропускать ток. Но при достижении определенного значения напряжения произойдет резкий рост тока, называемый пробоем. Он носит лавинный характер, и исчезает после снятия питания. Если продолжать увеличивать обратное напряжение, то p-n переход начнет нагреваться и выйдет в режим теплового пробоя. Тепловой пробой необратим и означает выход стабилитрона из строя, поэтому вводить диод в такой режим не следует.

Интересен участок работы полупроводникового прибора в режиме лавинного пробоя. Его форма близка к линейной, и он имеет высокую крутизну. Это означает, что при большом изменении тока (ΔI) изменение падения напряжения на стабилитроне относительно невелико (ΔU). А это и есть стабилизация.

Такое поведение при подаче обратного напряжения характерно для любого диода. Но особенность стабилитрона в том, что его параметры на этом участке ВАХ нормированы. Его напряжение стабилизации и крутизна характеристики заданы (с определенным разбросом) и являются важными параметрами, определяющими пригодность использования прибора в схеме. Найти их можно в справочниках. Обычные диоды также можно использовать в качестве стабилитронов – если снять их ВАХ и среди них найдется с подходящей характеристикой. Но это долгий, трудоёмкий процесс с негарантированным результатом.

Основные характеристики стабилитрона

Чтобы подобрать диод Зенера под существующие цели, надо знать несколько важных параметров. Эти характеристики определят пригодность выбранного прибора для решения поставленных задач.

Номинальное напряжение стабилизации

Первый параметр зенера, на который надо обратить внимание при выборе – напряжение стабилизации, определяемое точкой начала лавинного пробоя. С него начинают выбор прибора для использования в схеме. У разных экземпляров ординарных стабилитронов, даже одного типа, напряжение имеет разброс в районе нескольких процентов, у прецизионных разница ниже. Если номинальное напряжение неизвестно, его можно определить, собрав простую схему. Следует подготовить:

  • балластный резистор в 1…3 кОм;
  • регулируемый источник напряжения;
  • вольтметр (можно использовать тестер).

Определение номинального напряжения стабилитрона.

Надо поднимать напряжение источника питания с нуля, контролируя по вольтметру рост напряжения на стабилитроне. В какой-то момент он остановится, несмотря на дальнейшее увеличение входного напряжения. Это и есть фактическое напряжение стабилизации. Если регулируемого источника нет, можно использовать блок питания с постоянным выходным напряжением заведомо выше Uстабилизации. Схема и принцип измерения остаются теми же. Но есть риск выхода полупроводникового прибора из строя из-за превышения рабочего тока.

Читайте также:  Сильная просадка напряжения ваз 2109

Стабилитроны применяются для работы с напряжениями от 2…3 В до 200 В. Для формирования стабильного напряжения ниже данного диапазона, используются другие приборы – стабисторы, работающие на прямом участке ВАХ.

Диапазон рабочих токов

Ток, при котором стабилитроны исполняют свою функцию, ограничен сверху и снизу. Снизу он ограничен началом линейного участка обратной ветви ВАХ. При меньших токах характеристика не обеспечивает режима неизменности напряжения.

Верхнее значение лимитировано максимальной мощностью рассеяния, на которую способен полупроводниковый прибор и зависит от его конструкции. Стабилитроны в металлическом корпусе рассчитаны на больший ток, но не надо забывать об использовании радиаторов. Без них наибольшая допустимая мощность рассеяния будет существенно меньше.

Дифференциальное сопротивление

Еще один параметр, определяющий работу стабилитрона – дифференциальное сопротивление Rст. Оно определяется как отношение изменения напряжения ΔU к вызвавшему его изменение тока ΔI. Эта величина имеет размерность сопротивления и измеряется в омах. Графически — это тангенс угла наклона рабочего участка характеристики. Очевидно, что чем меньше сопротивление, тем лучше качество стабилизации. У идеального (не существующего на практике) стабилитрона Rст равно нулю – любое приращение тока не вызовет никакого изменения напряжения, и участок ВАХ будет параллелен оси ординат.

Маркировка стабилитронов

Отечественные и импортные стабилитроны в металлическом корпусе маркируются просто и наглядно. На них наносится наименование прибора и расположение анода и катода в виде схематического обозначения.

Внешний вид стабилитрона в металлическом корпусе.

Приборы в пластиковом корпусе маркируются кольцами и точками различных цветов со стороны катода и анода. По цвету и сочетанию знаков можно определить тип прибора, но для этого придётся заглянуть в справочники или использовать программы-калькуляторы. И то, и другое можно найти в интернете.

Маркировка стабилитрона в пластиковом корпусе.

Иногда на маломощных стабилитронах наносят напряжение стабилизации.

Обозначение напряжения стабилизации на стабилитроне.

Схемы включения стабилитрона

Основная схема включения стабилитрона – последовательно с резистором, который задает ток через полупроводниковый прибор и берет на себя излишек напряжения. Два элемента составляют обычный делитель. При изменении входного напряжения падение на стабилитроне остается постоянным, а на резисторе изменяется.

Основная схема включения стабилитрона.

Такая схема может использоваться самостоятельно и называется параметрическим стабилизатором. Он поддерживает напряжение на нагрузке постоянным, несмотря на колебания входного напряжения или потребляемого тока (в определенных пределах). Подобный блок ещё используют в качестве вспомогательной схемы там, где нужен источник образцового напряжения.

Подобное включение также применяется в качестве защиты чувствительного оборудования (датчиков и т.п.) от нештатного появления высокого напряжения в линии питания или измерения (постоянного или случайных импульсов). Все, что выше напряжения стабилизации полупроводникового прибора, «срезается». Такая схема называется «барьером Зенера».

Раньше свойство стабилитрона «срезать» верхушки напряжения широко использовалось в схемах формирователей импульсов. В цепях переменного тока применялись двуханодные приборы.

Схема включения двуханодного стабилитрона.

Но с развитием транзисторной техники и появлением интегральных микросхем такой принцип стал использоваться редко.

Если под рукой отсутствует стабилитрон на нужное напряжение, его можно составить из двух. Общее напряжение стабилизации будет равно сумме двух напряжений.

Схема последовательного подключения двух стабилитронов.

Важно! Нельзя включать стабилитроны параллельно для увеличения рабочего тока! Разброс вольтамперных характеристик приведет к выводу в зону теплового пробоя один стабилитрон, далее выйдет из строя второй из-за превышения тока нагрузки.

Хотя в технической документации времен СССР разрешается параллельное включение зенеров в параллель, но с оговоркой, что приборы должны быть однотипные и суммарная фактическая мощность рассеяния в процессе эксплуатации не должна превышать допустимую для единичного стабилитрона. То есть, увеличения рабочего тока при таком условии не добиться.

Читайте также:  Схема с источником тока с делителями напряжения

Нельзя включать стабилитроны параллельно друг другу.

Для повышения допустимого тока нагрузки используется другая схема. Параметрический стабилизатор дополняется транзистором, и получается эмиттерный повторитель с нагрузкой в цепи эмиттера и стабильным напряжением на базе транзистора .

Схема включения стабилитрона с транзистором.

В этом случае выходное напряжение стабилизатора будет меньше Uстабилизации на величину падения напряжения на эмиттерном переходе – для кремниевого транзистора около 0,6 В. Чтобы скомпенсировать это уменьшение, можно включить последовательно со стабилитроном диод в прямом направлении.

Схема включения стабилитрона с транзистором и диодом.

Таким способом (включением одного или нескольких диодов) можно подкорректировать выходное напряжение стабилизатора в большую сторону в небольших пределах. Если надо радикально повысить Uвых, лучше включить последовательно ещё одни стабилитрон.

Сфера применения стабилитрона в электронных схемах обширна. При осознанном подходе к выбору этот полупроводниковый прибор поможет решить множество задач, поставленных перед разработчиком.

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Описание, технические характеристики и аналоги выпрямительных диодов серии 1N4001-1N4007

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Источник



Стабилитроны

date image2014-02-02
views image4803

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon


Полупроводниковые стабилитроны, называемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. При работе стабилитрона используется обратная ветвь вольт – амперной характеристики. При повышении обратного напряжения происходит пробой p-n – перехода, при котором обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации Uст. На рис.3.7, показана схема включения, а на рис.3.8 представлена характеристика стабилитрона, полученная в MicroCAP. Прямая ветвь характеристики стабилитрона при Uд > 0 такая же, как и у обычного диода. При увеличении обратного напряжения происходит пробой стабилитрона, ток резко возрастает, а напряжение на стабилитроне изменяется незначительно. На характеристике хорошо видно, что при изменении тока от –3, 522 мА до –9,494 мА (почти в 3 раза) напряжение изменилось на величину ΔUд = 0,055 В. Напряжение, при котором происходит пробой стабилитрона, называется напряжением стабилизации. Рабочая область стабилитрона ограничена минимальным Iст min и максимальным Iст max токами стабилизации. При токе стабилитрона ниже Iст min начинает существенно уменьшаться напряжение на стабилитроне и в конечном итоге стабилитрон может закрыться. При превышении максимального тока Iст max стабилитрон выходит из строя.

Напряжения стабилизации в зависимости от типа стабилитрона могут быть от нескольких вольт до десятков вольт. Минимальный ток стабилизации в зависимости от типа может быть от долей милиампера до десятков миллиампер.

Максимальный ток стабилизации может быть от нескольких мА до нескольких А.

Стабилитроны используются для построения стабилизаторов напряжения, источников опорного напряжения и др. На рис.3.9 приведена схема параметрического стабилизатора. Обратите внимание на включение стабилитрона: катод подключается к плюсу источника входного напряжения, а анод к минусу. Нагрузка подключается параллельно стабилитрону. Напряжение на нагрузке будет равно напряжению стабилизации стабилитрона Uст, пока ток стабилитрона находится между Imin и Imax. Допустим, что ток стабилитрона равен Iст = (Iст max +Iст min)/2. При увеличении входного напряжения увеличивается ток через балластное сопротивление Rб. Ток нагрузки остается неизменным, так как напряжение на нем не меняется, оно остается равным Uст. Изменяется (увеличивается в нашем случае) ток стабилитрона.

При изменении сопротивления нагрузки, например при уменьшении Rн, увеличивается ток нагрузки за счет уменьшения тока стабилитрона. Напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на нагрузке, остается практически неизменным.

Читайте также:  При соединении приемника звездой его фазы находятся под напряжением

При холостом ходе весь ток нагрузки протекает через стабилитрон и может вывести прибор из строя — это надо учитывать при расчете схемы.

Резистор Rб ограничивает величину тока стабилитрона и определяет стабильность выходного напряжения.

Источник

Стабилитроны. Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольт-амперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольт-амперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения. Это свойство широко используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения.

Напряжение пробоя стабилитрона зависит от ширины р–п-перехода, которая определяется удельным сопротивлением материала полупроводника. Поэтому существует определенная зависимость пробивного напряжения (т.е. напряжения стабилизации) от концентрации примесей.

Низковольтные стабилитроны выполняют на основе сильно легированного кремния. Ширина р–п-перехода в этом случае получается очень маленькой, а напряженность электрического поля потенциального барьера – очень большой, что создает условия для возникновения туннельного пробоя. При большой ширине р–п-перехода пробой носит лавинный характер. При напряжении стабилизации от 3 до 6 В в p–n-переходах наблюдается практически туннельный пробой. В диапазоне от 6 до 8 В имеют место процессы как туннельного, так и лавинного пробоя, а в пределах 8K200 В – только лавинного.

Конструкции стабилитронов очень незначительно, а в некоторых случаях практически не отличаются от конструкций выпрямительных диодов (рис. 2.18).

Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 2.18, б. Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток) не должен превышать максимально допустимое значение во избежание перегрева полупроводниковой структуры и выхода его из строя.

Существенной особенностью стабилитрона является зависимость его напряжения стабилизации от температуры. В сильно легированных полупроводниках вероятность туннельного пробоя с увеличением температуры возрастает. Поэтому напряжение стабилизации у таких стабилитронов при нагревании уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН):

, (2.4)

который, показывает – на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры прибора на 1 C.

В слабо легированных полупроводниках при увеличении температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, что приводит к увеличению порогового значения напряжения, при котором начинается лавинный пробой. Такие стабилитроны имеют положительный ТКН (рис. 2.19).

Для устранения этого недостатка и создания термокомпенсированных стабилитронов последовательно в цепь стабилитрона включают обычные диоды в прямом направлении. Как известно, у обычных диодов в прямом направлении падение напряжения на р–п-переходе при нагревании уменьшается. И если последовательно со стабилитроном (рис. 2.20) включить n диодов в прямом направлении, где , ( – изменение прямого падения напряжения на диоде при изменении от T1 до T2), то можно почти полностью компенсировать температурную погрешность стабилитрона.

Основные параметры стабилитронов:

1. Напряжение стабилизации – напряжение на стабилитроне при протекании через него тока стабилизации;

2. Ток стабилизации – значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации;

3. Дифференциальное сопротивление стабилитрона – дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации, т.е. ;

4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации – отношение относительного изменения напряжения стабилизации стабилитрона к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном значении тока стабилизации:

Предельные параметры стабилитронов:

1. Минимально допустимый ток стабилизации – наименьший ток через стабилитрон, при котором напряжение стабилизации находится в заданных пределах;

2. Максимально допустимый ток стабилизации – наибольший ток через стабилитрон, при котором напряжение стабилизации находится в заданных пределах, а температура перехода не выше допустимой;

3. Максимально допустимая рассеиваемая мощность – мощность, при которой не возникает теплового пробоя перехода.

Выводы:

1. Полупроводниковый стабилитрон — кремниевый диод, работающий при обратном напряжении в режиме электрического пробоя.

2. Необходимое напряжение стабилизации получают выбором соответствующей концентрации примеси в базе диода.

Источник