Какими свойствами обладает стабилитрон

Стабилитрон относится к одному из применяемых радиоэлектронных элементов. Каждый более-менее качественный блок питания содержит узел стабилизации напряжения, которое может изменяться при изменении сопротивления нагрузки либо при отклонении входного напряжения от номинального значения.

Стабилизация напряжения выполняется главным образом с целью обеспечения нормального режима работы остальных радиоэлементов устройства, например микросхем, транзисторов, микроконтроллеров и т.п.

Стабилитроны широко используются в маломощных блоках питания либо в отдельных его узлах, мощность которых редко превышает десятки ватт.

Главное преимущество стабилитронов – их малая стоимость и габариты, поэтому они до сих пор не могут вытисниться интегральными стабилизаторами напряжения типа LM7805 или 78L05 и т.п.

Стабилитрон очень похож на диод, поскольку его полупроводниковый кристалл помещен в аналогичный корпус.

Условное графическое обозначение стабилитрона на чертежах электрических схем также похоже на обозначение диода, только со стороны катода добавлена короткая горизонтальная черточка, направленная в сторону анода.

Принцип работы стабилитрона

Рассмотрим принцип работы стабилитрона на примере схемы его включения и вольт-амперной характеристике. Для выполнения своей основной функции стабилитрон VD соединяется последовательно с резистором Rб и вместе они подключаются к источнику входного нестабилизированного напряжения Uвх. Уже стабилизированное выходное напряжение Uвых снимается только с выводов 2, 3 VD. Поэтому нагрузка Rн подключается к соответствующим точкам 2 и 3. Как видно из схемы, VD и Rб образуют делитель напряжения. Только сопротивление стабилитрон имеет не постоянно значение и называется динамическим, поскольку зависит от величины электрического тока, протекающего через полупроводниковый прибор.

Величина напряжения Uвх, подаваемого на стабилитрон с резисторов должна быть выше на минимум на пару вольт выходного напряжения Uвых, в противном случае полупроводниковый прибор VD не откроется и не сможет выполнять свою основную функцию.

Допустим, в какой-то произвольный момент времени на выходах 1 и 3 значение Uвх начало возрастать. В схеме начнут протекать следующие процессы. С ростом напряжения согласно закону Ома начнет возрастать ток, назовем его входным током Iвх. С увеличением ток возрастет падение напряжения на резисторе Rб, а на VD она останется неизменным (это будет пояснено далее на характеристике), поэтому и Uвых останется на прежнем уровне. Следовательно, прирост входного напряжения упадет или погасится на резисторе Rб. Поэтому Rб называют гасящим или балластным.

Теперь, допустим, изменилась нагрузка, например, снизилось сопротивление Rн, соответственно возрастет и ток Iн. В этом случае снизится ток, протекающий стабилитрон Iст, а Iвх останется практически без изменений.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) стабилитрона аналогично ВАХ диода и имеет две ветви: прямую и обратную. Прямая ветвь является рабочей для диода, а обратная ветвь характеризует работу стабилитрона, поэтому он включается в электрическую цепь в обратном направлении (катодом к плюсу, а анодом к минусу) по сравнению с диодом. Поэтому стабилитрон называю опорным диодом, а источник питания с данным полупроводниковым элементом называют опорным источником напряжения. Такой терминологий будем пользоваться и мы.

На обратной ветви вольт-амперной характеристик опорного диода выделим две характерные точки 1 и 3. Точка 1 отвечает минимальному значению тока стабилизации, который находится в пределах единиц миллиампер. Если ток, протекающий через стабилитрон, будет ниже точки 1, то он не сможет выполнять свои функции (не откроется). В случае превышения тока выше точки 3 опорный диод перегреется и выйдет из строя. Поэтому оптимальной точкой в большинстве случае будет точка посредине обратной ветви ВАХ, то есть точка 2. Тогда при изменении тока в широких пределах (смотрите ось Y) точка 2 будет изменять свое положение, перемещаясь вверх или вниз по обратной ветви, а напряжение будет изменяться незначительно (смотрите ось X).

Встречное, параллельное, последовательное соединение стабилитронов

Для повышения напряжения стабилизации можно последовательно соединять два и более стабилитрона. Например на нагрузке нужно получить 17 В, тогда, в случае отсутствия нужного номинала, применяют опорные диоды на 5,1 В и на 12 В.

Параллельное соединение применяется с целью повышения тока и мощности.

Также стабилитроны находят применение для стабилизации переменного напряжения. В этом случае они соединяются последовательно и встречно.

В один полупериод переменного напряжения работает один стабилитрон, а второй работает как обычный диод. Во второй полупериод полупроводниковые элементы выполняют противоположные функции. Однако в таком случае форма выходного напряжения будет отличается от входного и выглядит как трапеция. За счет того, что опорный диод будет отсекать напряжение, превышающее уровень стабилизации, верхушки синусоиды будут срезаться.

Маркировка стабилитронов

Маркировка наносится на корпус стабилитрона в виде цифр и букв (или буквы). Различают принципиально два разных типа маркировки. Стабилитрон в стеклянном корпусе имеет привычную для нас маркировку, непосредственно обозначающую номинальное напряжение стабилизации. Цифры могут быть разделены буквой V, выполняющую роль десятичной точки. Например, 5V1 означает 5,1 В.

Менее понятный способ маркировки состоит из четырех цифр и буквы в конце. Если вы не опытный радиолюбитель, то без даташита никак не обойтись. Для примера расшифруем параметры опорного диода серии 1N5349B. Больше всего нас интересует первый столбец, в котором приведено номинальное напряжение 12 В. Второй столбец – номинальное значения ток – 100 мА.

Катод стабилитрона любого типа обозначается кольцом черного или синего цвета, которое наносится на корпус со стороны соответствующего вывода.

Маркировка SMD стабилитронов

Наибольшее распространение получили опорные диоды в стеклянном корпусе и в пластмассовом корпусе с тремя выводами. Маркировка SMD стабилитрона в стеклянном корпусе состоит из цветного кольца, цвет которого обозначает параметры данного полупроводникового прибора.

Если вам встретился SMD стабилитрон с тремя выводами, то следует знать, что один вывод – это «пустышка», то есть он не задействован и применяется лишь для надежной фиксации элемента на печатной плате после пайки. Анод и катод такого экземпляра проще всего определить с помощью мультиметра.

Мощность рассеивания стабилитрона

Мощность рассеивания стабилитрона Pст характеризует его способность не перегреваться выше определенной температуры на протяжении длительного времени. Чем выше значение Pст, тем больше тепла способен рассеять полупроводниковый прибор. Мощность рассеивания рассчитывается для самых неблагоприятных условий работы прибора, поэтому в ниже приведенную формулу подставляют максимально возможное в работе Uвх и наименьшие значения Rб и Iн:

Существует ряд стандартных номиналом по данному параметру: 0,3 Вт, 0,5 Вт, 1,3 Вт, 5 Вт и т.п. Чем больше Pст, тем больше габариты полупроводникового прибора.

Как проверить стабилитрон

Проверить стабилитрон на предмет исправности довольно просто и быстро можно с помощью простейшего мультиметра. Для этого мультиметр следует перевести в режим «прозвонка», как правило, обозначенный знаком диода. Затем, если положительным щупом мультиметра прикоснуться анода, а отрицательным – катода, то на дисплее измерительного прибора мы увидим некоторое значение падения напряжения на pn-переходе. Поскольку к полупроводниковому прибору приложено прямое напряжение (смотрите прямую ветвь вольт-амперной характеристики), то опорный диод откроется.

Теперь, если щупы мультиметра поменять местами, тем самым приложить к выводам полупроводникового прибора обратное напряжение (смотрите обратную ветвь ВАХ), то он окажется заперт и не будет проводить ток. На дисплее измерительного прибора отобразится единица, обозначающая бесконечно высокое сопротивление.

Если в обеих случаях мультиметр покажет единицу или будет звенеть, то стабилитрон непригоден.

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.

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.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона и его принцип работы

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

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).

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.

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.

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.

Иногда на маломощных стабилитронах наносят напряжение стабилизации.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.