Как включить стабилитрон в схему

Что такое стабилитрон

Стабилитрон — это специальный полупроводниковый диод, работающий в режиме пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения. В зарубежной литературе стабилитрон называют диодом Зенера (Zener diode), по имени Кларенса Зенера, который открыл один из механизмов электрического пробоя. Вообще существует тунельный, лавинный и тепловой пробои. На первых двух стабилитроны работают, а от последнего они выходят из строя. Но о пробоях мы рассуждать не будем, нам нужно понять, что такое стабилитрон, каков принцип его работы и как его можно использовать.

Обозначение стабилитрона

На электрических схемах стабилитрон обозначается символом диода с небольшой закорючкой у катода и буквенным обозначением VD.

Также существуют другие варианты обозначений стабилитрона, которые используются на зарубежных схемах.

Как видно из рисунка, у стабилитрона два вывода — это катод и анод. Следовательно, есть всего два варианта его включения:

— включение в прямом направлении, когда анод подключается к плюсу питания, а катод к минусу,
— включение в обратном направлении, когда анод подключается к минусу питания, а катод к плюсу.

В прямом включении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а вот в обратном включении в стабилитроне возникает тот самый пробой. Чтобы понять, что при этом происходит, давайте посмотрим на вольтамперную характеристику стабилитрона.

Как работает стабилитрон

Правая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено напряжение в прямом направлении. Левая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено обратное напряжение. Похожа на характеристику диода, но пробой (участок, где загибается график) у стабилитрона наступает гораздо раньше диода. Нас интересует левая часть графика.

Вот мы подключили стабилитрон к источнику питания в обратном направлении и начинаем медленно повышать напряжение. Пока приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, оно растет, через стабилитрон течет незначительный ток утечки Io (микроамперы, а то и меньше), пробоя нет. На этом участке стабилитрон ведет себя как резистор с очень большим сопротивлением.

В какой-то момент ток начнет возрастать, а напряжение замедлит свой рост — это значит что возникает начальная стадия пробоя стабилитрона. Его сопротивление падает, что можно наблюдать по «загибанию» вольтамперной характеристики.

При дальнейшем повышении напряжения источника питания, ток через стабилитрон будет увеличиваться значительно, а напряжение нет. Стабилитрон ведет себя как резистор с маленьким сопротивлением. Это рабочий участок характеристики, где напряжение на стабилитроне, грубо говоря, постоянно.

Снова повышаем напряжение, ток продолжает расти, стабилитрон начинает греться. Когда ток превысит максимально допустимое значение, стабилитрон перегреется и выйдет из строя.

Если не доводить дело до теплового пробоя, а снизить напряжение до нуля — вольтамперная характеристика повторится в обратном направлении.

Параметры стабилитрона

Какие параметры характеризуют стабилитрон? Базовые параметры — это напряжение стабилизации, минимальный ток стабилизации и мощность рассеяния.

Напряжение стабилизации Uст (в зарубежной литературе Uz, zener voltage) — это, грубо говоря, рабочее напряжение стабилитрона. А если по умному, то это напряжение на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации.

Как правило, стабилитроны одного типа имеют небольшой разброс напряжения стабилизации, поэтому в документации указывается минимальное, номинальное и максимальное напряжение стабилизации при заданной температуре и токе.

Минимальный ток стабилизации Iст мин (Iz) — величина тока, при которой стабилитрон «выходит» на свой рабочий участок вольтамперной характеристики. По сути, это точка с которой начинается «излом» характеристики.

Мощность рассеяния стабилитрона P — параметр определяющий максимально допустимый ток стабилитрона. Если принять, что напряжение на стабилитроне в рабочем режиме не меняется, то максимальный ток можно вычислить как P/Uст. Также можно прикинуть максимальный ток в прямом направлении P/Uf = P / 0,7. Мощность рассеяния стабилитрона зависит от его конструкции корпуса (и площади p-n перехода). Обычно этот параметр указывается в разделе «absolute maximum ratings».

Схема включения стабилитрона

Типовая схема включения стабилитрона — это схема простого стабилизатора напряжения. Она включает в себя стабилитрон и резистор для ограничения тока (источник питания и нагрузка на схеме не нарисована). На вход схемы подается нестабилизированное постоянное напряжение большее напряжения стабилизации на несколько вольт, на выходе схемы получается стабилизированное напряжение равное Uz (напряжению стабилизации) используемого стабилитрона.

Такой стабилизатор напряжения можно использовать для питания мало потребляемых схем, потому что из-за резистора он не способен «отдать» в нагрузку большой ток.

Как видно из рисунка, входной ток распределяется между стабилитроном и нагрузкой. Если нагрузка не потребляет ток, стабилитрон «забирает» весь ток на себя, и при большом его значении может перегореть. Если ток нагрузки становиться большим, то стабилитрону «достается» меньше току, напряжение на нем падает и он уже не может выполнять свои функции.

Номинал резистора R1 рассчитывается по формуле:

R = (Uin — Uz)/(Iz + I)

где Uin — входное напряжение (В),
Uz — номинальное напряжение стабилизации (В),
Iz — ток стабилитрона (А),
I — ток нагрузки (А).

Ток стабилитрона Iz нужно выбирать между минимальным и максимальным значениями, исходя из изменений входного напряжения и тока нагрузки. Минимальный ток стабилизации задается в документации, а максимальный ток можно посчитать из максимальной рассеиваемой мощности.

Стабилитрон

Cтабилитрон используется для стабилизации напряжения (например, в стабилизированных источниках питания).

Обозначение стабилитрона

Включение стабилитрона

Стабилитрон (его ещё называют диодом Зенера) включается как показано на рисунке. Включение стабилитрона на первый взгляд нелогично. Стабилитроны включаются как бы «наоборот» по сравнению с диодами. При подаче на них обратного напряжения происходит «пробой» и напряжение между их выводами остаётся неизменным. Последовательно обязательно должен быть включён резистор для ограничения проходящего тока через стабилитрон (он называется током стабилизации) и обеспечения падения «лишнего» напряжения от выпрямителя.

Каждый стабилитрон имеет своё напряжение пробоя (стабилизации) и свой рабочий ток. Исходя из этого тока рассчитывается номинал резистора, включённого последовательно со стабилитроном. На импортных стабилитронах напряжение стабилизации напечатано на корпусе стабилитрона. Обозначение диодов — стабилитронов начинается с BZX. или BZY. Их напряжение стабилизации (пробоя) напечатано с буквой V вместо десятичной запятой. Таким образом, 3V9 означает 3.9 вольта.

Минимальное напряжение стабилизации, на которое существуют стабилитроны, 2 В.

Последовательное соединение стабилитронов

Последовательное соединение стабилитронов делают в тех случаях, когда надо получить стабилизированное напряжение, на которое не существует стабилитронов (или нет в наличии). Как правило в высоковольтных стабилизаторах напряжения устанавливают несколько последовательно соединённых стабилитронов. Общее напряжение стабилизации будет равно сумме напряжений стабилизации каждого стабилитрона. Желательно соединять последовательно только однотипные стабилитроны на одинаковое напряжение стабилизации.

Как включить стабилитрон в схему

Определение стабилитрона

Стабилитроном является специальный диод, работающий в режиме пробоя. При достижении напряжения пробоя обратный ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление в области пробоя (отношение изменения тока к вызвавшему это изменение изменению напряжения) составляет единицы-сотни Ом. Если внешнее сопротивление цепи существенно больше динамического сопротивления стабилитрона, то достигается эффект стабилизации напряжения. В международной практике стабилитрон называют диодом Зенера (zener diode).

Условное обозначение стабилитрона представлено на рисунке ZD.1.

Функциональное назначение стабилитрона

Стабилитроны используются в следующих приложениях:

— стабилизаторы напряжения и источники опорного напряжения;

— схемы сдвига уровня напряжения.

Типы стабилитронов

Полупроводниковые стабилитроны разделяются на несколько подклассов:

— стабилитроны малой мощности (менее 1 Вт);

— силовые стабилитроны (1-5 Вт и выше);

— прецизионные стабилитроны (термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой);

— суппрессоры (TVS-диоды) – специализированные быстродействующие и мощные стабилитроны, предназначенные для защиты от перенапряжений.

Вольтамперная характеристика стабилитрона

В отличие от диода основной рабочий участок стабилитрона приходится на область пробоя (куда обычный диод вводить никак нельзя) – рисунок ZD.2. Базовая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне представлена на рисунке ZD.3.

Основные параметры стабилитронов

1. Напряжение стабилизации (Nominal Zener Voltage или Regulator Voltage) V_Z – напряжение соответствующее напряжению пробоя обратной ветви стабилитрона. Указывается при определенном токе I_ZT.

2. Максимальная рассеиваемая мощность (Power Dissipation) P_d – определяется размером кристалла и конструкцией корпуса.

В режиме пробоя на стабилитроне выделяется мощность, равная произведению напряжения пробоя, называемом напряжением стабилизации V_Z и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него I_ZT:

Максимально допустимое значение P_VS называют максимальной мощностью стабилитрона P_{VS_max}. Максимальная рассеиваемая мощность зависит от температуры окружающей среды – с ростом температуры она уменьшается (эти зависимости представлены в справочных листах).

3. Максимальный рабочий ток (Maximum Zener Current) I_ZM – определяется исходя из напряжения стабилизации и рассеиваемой мощности:

Импульсный ток через стабилитрон может существенно превышать стационарное значение. В справочных листах обычно приводятся данные по максимальному значению импульсного тока в зависимости от длительности импульса. Иногда в справочных листах приводят значение тестового тока (Test Current) I_ZT при котором собственно и измеряется номинальное напряжение стабилизации V_Z.

4. Дифференциальное сопротивление стабилитрона (Zener Impedance) Z_Z есть отношение приращения напряжения в режиме пробоя к приращению тока в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации. Определяет «нестабильность стабилизации» напряжения в зависимости от тока. В справочных листах обычно приводят динамическое сопротивление при номинальном (иногда максимальном – Maximum Dynamic Impedance) токе и при малом токе (в начале ветви режима пробоя). С ростом тока динамическое сопротивление резко уменьшается. В справочных листах приводят два значения импеданса: Z_ZT — импеданс при тестовом токе (Test Current I_ZT) и I_ZK — импеданс при некотором значении тока существенно меньшем I_ZT и соответствующем точке перегиба ВАХ (Maximum Dynamic Knee Impedance). Knee – колено.

5. Емкость стабилитрона в режиме обратного смещения. В области малых значений напряжений стабилизации и малых обратных смещений может достигать существенных величин в сотни пикофарад, что необходимо учитывать при проектировании динамических схем ограничения напряжения.

6. Максимальный импульсный ток (Max Surge Current) I_ZM – максимальный импульсный непериодический ток стабилитрона определяемый энергией рассеяния кристалла. Указывается при заданной длительности импульса.

7. Максимальный обратный ток утечки (Maximum Reverse Leakage Current) I_R – ток, протекающий через стабилитрон при некотором обратном напряжении V_R не превышающем напряжение стабилизации (обычно в справочных листах указывают ток утечки при V_Rсоставляющем около 70% от V_Z).

8. Падение напряжение прямого смещения (Forward Voltage) V_F – падение напряжения при прямом токе через стабилитрон (в режиме диода). Указывается при некотором значении тока и обычно составляет величину порядка 1,2-1,5 В.

9. Температурный коэффициент (Temperature Coefficient) – показывает относительное изменение напряжения стабилизации с изменением температуры %/°C.

10. Максимальный диапазон напряжения стабилизации (Maximum Voltage Regulation) ΔV_Z– диапазон напряжения, соответствующий ширине участка ВАХ в области участка стабилизации. То есть насколько изменится напряжение на стабилитроне при изменении тока от величины соответствующей началу пробоя до максимального значения.

9. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance Junction to Ambient) R_θJA – тепловое сопротивление между кристаллом стабилитрона и окружающей средой. Зависит от длины выводов стабилитрона. Чем ближе к плате – тем лучше.

10. Точность, характеризующая разброс по величине напряжения стабилизации.

Последовательное включение стабилитронов

Последовательное соединение стабилитронов одной серии используется:

— с целью увеличения напряжения стабилизации;

— с целью увеличения максимальной мощности стабилизации.

Последовательное соединение стабилитронов одной серии является традиционным способом повышения рабочего напряжения и получения напряжения стабилизации с номиналом, отличающимся от номиналов серийно выпускаемых стабилитронов.

Параллельное соединение стабилитронов не используется из-за рассогласования вольт-амперных характеристик в процессе работы.

Что такое стабилитрон и как он работает

Как известно, любой диод пропускает ток в прямом направлении, то есть когда плюс поступает на его анод, а минус — на катод, и не пропускает ток в обратном направлении.

Но среди прочих важных параметров у диода есть такой параметр как максимальное допустимое обратное напряжение. Это максимальное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении, при котором сохраняются его «диодные» свойства.

Допустим, мы подключим к диоду напряжение плюсом к катоду, а минусом к аноду (то есть, в обратном направлении) и станем это напряжение повышать.

Как только это напряжение достигнет «максимального допустимого» значения произойдет пробой диода Он потеряет свои «диодные» свойства и будет пропускать ток в обратном направлении.

Для обычного диода пробой вещь неприятная, часто приводящая к выходу диода из строя. По тяжести последствий таких пробоев бывает два типа:

Необратимый пробой — это выход из строя диода, порча его, поломка, полная непригодность.

Обратимый пробой — это когда диод пробило, но не испортило, то есть, он стал пропускать ток в обратном направлении, но если обратное напряжение на нем понизить то он опять, как ни в чем небывало, перестанет пропускать обратный ток.

Диоды с ярко выраженной склонностью к обратимому пробою выпускают специально, и делают их такими, чтобы этот обратимый пробой наступал при строго определенном обратном напряжении.

Такие диоды называют стабилитронами. А обратное напряжение, при котором происходит обратимый пробой стабилитрона называют напряжением стабилизации.

Теперь посмотрим в чем смысл такого диода Допустим, есть стабилитрон на напряжение стабилизации 10V. Это значит, что если на него подавать обратное напряжение ниже 10V, то он как любой диод, включенный в обратном направлении ток пропускать не будет.

А вот если обратное напряжение на нем достигнет 10V, произойдет обратимый пробой, ток возникнет и будет сильно увеличиваться если мы продолжим повышать напряжение.

Чтобы обратимый пробой не превратился в необратимый этот обратный ток нужно ограничивать, например, обычным резистором (как в случае со светодиодами).

Обозначение стабилитрона, схема подключения

А смысл стабилитрона в том, что если мы соберем схему, показанную на рисунке 2, то при колебаниях входного напряжения Uвх от величины напряжения стабилизации стабилитрона (Uct) до значительно больших величин, напряжение на стабилитроне не будет меняться, и будет равно Uct. Вот на этой основе и построено большинство схем стабилизаторов напряжения.

А схема, показанная на рисунке 2, это и есть простейший стабилизатор напряжения. На рисунке 1 показано обозначение стабилитрона на схеме. Оно похоже на обозначение диода, — треугольник это анод, а черточка — катод. Но у катодной черточки сделан уголок.

Если есть такой уголок, — значит это стабилитрон.

Рис. 1. Внешний вид и обозначение стабилитронов на принципиальных схемах.

Рис. 2. Схема подключения стабилитрона.

Стабилитроны выпускаются в таких же корпусах, как и диоды, и вообще внешне на них очень похожи. В схеме на рисунке 2 есть резистор R1, который нужен для ограничения тока через стабилитрон.

В справочниках обычно указывают не только напряжение стабилизации, но ток стабилизации, — минимальный и максимальный. Вот, например, популярный стабилитрон Д814А.

Напряжение стабилизации 7,5V, ток стабилизации минимальный 3 мА, максимальный 40 mA. Сопротивление R1 должно быть таким, чтобы ток через стабилитрон лежал в этих пределах, так как при токе ниже минимального (ниже ЗмА) обратимый пробой может и не наступить, либо будет нестабильным, а при токе более 40мА пробой может уже стать необратимым.

Допустим, у нас входное напряжение Ubx изменяется от 10 до 20V. Чтобы стабилитрон Д814А работал, нужно чтобы ток через него был не ниже 3 мА и не выше 40мА.

Так как напряжение стабилизации равно 7,5V, то напряжение, которое падает на R1 (U1) будет в пределах от 10-7,5=2,5V до 20-7,5=12,5V Для тока 40mA при максимальном Ubx сопротивление R1 определяем по Закону Ома:

R1 = 12,5V/0,04А = 312,5 Ом

Для тока 3 мА при минимальном Ubx сопротивление R1 определяем по Закону Ома:

R1 = 2.5V/0.003A = 833,333 От.

Из расчетов получается, что сопротивление R1 для нашего стабилизатора может быть любым в пределах от 312,5 до 833,333 От, например, 470 Ом.

Индикаторы напряжения на стабилитронах

Кроме стабилизаторов напряжения стабилитроны можно использовать и в индикаторах напряжения. На рисунке 3 показана схема индикатора напряжения 9V и больше. В этой схеме есть светодиод HL1, стабилитрон Д814А и токоограничивающий резистор R1.

Рис. 3. Схема индикатора напряжения 9V и больше.

Стабилитрон Д814А имеет напряжение стабилизации 7,5V, то есть, он начинает пропускать ток, когда обратное напряжение на нем достигает 7,5V. А светодиод, который в этой схеме, имеет прямое напряжение падения 1,5V. В сумме это будет 9V. Когда напряжение Ubx ниже 9V напряжение на стабилитроне ниже 7,5V и тока через него нет.

Соответственно, нет тока и через светодиод, так как они же включены последовательно. А вот когда напряжение Ubx больше 9V у стабилитрона возникает обратимый пробой, и ток начинает протекать через него и светодиод. Светодиод загорается. На рисунке 4 показана схема индикатора напряжения для автомобиля.

Здесь используются три стабилитрона с разными напряжениями стабилизации: Д814А — 7,5V, Д814В — 9,5V, Д814Д — 12V. И три ярких светодиода с падениями напряжения по 2,5V.

Рис. 4. Схема индикатора напряжения для автомобиля, собрана с применением стабилитронов.

В результате, когда напряжение Ubx ниже 10V ни один из светодиодов не горит. При напряжении от 10V до 12V горит HL1. При напряжении от 12V до 14,5V будут гореть два светодиода HL1 и HL2. А при напряжении больше 14.5V горят все три светодиода. И, наконец, я вас совсем запутаю.

Помимо стабилитронов есть еще и стабисторы. Так вот многие неопытные радиолюбители путают эти два радиоэлемента. Стабисторы обычно используют для стабилизации малых напряжений, ниже 2V.

Разница в том, что если стабилитрон мы включаем в обратном направлении, и стабилизация достигается на эффекте обратимого пробоя обратным напряжением. Стабисторы же включают как обычные диоды, то есть, в прямом направлении.

А эффект стабилизации у стабистора достигается на начальном участке прямой ветви ВАХ. То есть, напряжение стабилизации стабистора это его прямое напряжение падения (как у светодиода).

Кстати, частенько и светодиоды используют в качестве стабисторов, чтобы получить стабильное малое напряжение, равное прямому напряжению падения на светодиоде.