Диод Зенера
Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).
В основе работы стабилитрона лежат два механизма:
- p-n перехода p-n перехода (Эффект Зенера в англоязычной литературе)
Несмотря на схожие результаты действия, эти механизмы различны, хотя и присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них. У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой с отрицательным температурным коэффициентом, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. При напряжении, равном 5,6 вольт, оба эффекта уравновешиваются, поэтому выбор такого напряжения является оптимальным решением для устройств с широким температурным диапазоном применения.
Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей заряда. Поэтому в стабилитроне инжекционные явления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей заряда при переходе из области пробоя в область запирания и обратно, практически отсутствуют. Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей.
- прецизионные — обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации, для них вводятся дополнительные нормы на временную нестабильность напряжения и температурный коэффициент напряжения (например: 2С191, КС211, КС520);
- двуханодные — обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных напряжений, для них дополнительно нормируется абсолютное значение несимметричности напряжения стабилизации (например: 2С170А, 2С182А);
- быстродействующие — имеют сниженное значение барьерной ёмкости (десятки пФ) и малую длительность переходного процесса (единицы нс), что позволяет стабилизировать и ограничивать кратковременные импульсы напряжения (например: 2С175Е, КС182Е, 2С211Е).
Существуют микросхемы линейных регуляторов напряжения с двумя выводами, которые имеют такую же схему включения, что и стабилитрон, и зачастую, такое же обозначение на электрических принципиальных схемах. [1]
Параметры
Основным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Пробивное напряжение диода, а значит, напряжение стабилизации стабилитрона зависит от толщины p-n-перехода или от удельного сопротивления базы диода. Поэтому разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 В).
Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Значения этого параметра у различных стабилитронов различны. Коэффициент может иметь как положительные так и отрицательные значения для высоковольтных и низковольтных стабилитронов соответственно. Изменение знака соответствует напряжению стабилизации порядка 6В.
Стабилитрон
Само название этого прибора “стабилитрон” созвучно слову стабильность или постоянство чего — либо или в чем — либо. В жизни человека очень важна стабильность, стабильность в зарплате, цены в магазине и прочее. В электронике стабильность напряжения питания очень важный, основной параметр, который при настройке или ремонте электронного оборудования проверяют в первую очередь. Напряжение в электрической сети может меняться в зависимости от общей нагрузки, качества электроснабжающих сетей, и еще многих других факторов, но напряжение питания электронных устройств, при этом, должно оставаться неизменным с определенной заданной величиной.
И так, что же такое стабилитрон.
Википедия, тебе даст такое определение:
«Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — это полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки. «
Все правильно, но слишком заумно.
Я попробую сказать проще
Стабилитрон — это такой полупроводниковый прибор, который стабилизирует напряжение.
Считаю, что на первых порах этого определения достаточно, (а как он стабилизирует напряжение, я расскажу ниже)
Принцип работы стабилитрона
Уважаемый читатель на этом рисунке изображен принцип работы стабилитрона.
Представь, что в некую емкость заливают воду, уровень воды в емкости, должен быть строго определенным, для того чтобы емкость не переполнилась в ней сделана переливная труба по которой вода превышающая заданный уровень будет выливаться из емкости.
Теперь от “сантехники” перейдем к электронике.
Обозначение стабилитрона на принципиальной схеме такое – же, как и у диода, отличие “черточка” катода изображается как буква Г.
Обозначение стабилитрона на схеме
Стабилитрон работает только в цепи постоянного тока, и пропускает напряжение в прямом направлении анод – катод так же — как и диод. В отличи от диода у стабилитрона есть одна особенность, если подать ток в обратном направлении катод – анод, ток через стабилитрон течь не будет, но ток в обратном направлении не будет течь только до тех пор, пока напряжение не превысит заданное значение.
Что является заданным значением напряжения для стабилитрона?
Стабилитрон имеет свои параметры – это напряжение стабилизации и ток. Параметр напряжение — указывает при какой величине напряжения стабилитрон будет пропускать ток в обратном направлении, параметром ток – задана сила тока, при которой стабилитрон может работать не повреждаясь.
Стабилитроны изготавливают для стабилизации напряжения различной величины, например, стабилитрон с обозначением V6.8 будет стабилизировать напряжение в пределах 6.8 Вольта.
Таблица рабочих параметров стабилитронов.
В таблице указаны основные параметры – это напряжение стабилизации и ток стабилизации. Есть и другие параметры, но они тебе пока не нужны. Главное понять суть работы стабилитрона и научиться выбирать нужный тебе для твоих схем и для ремонта радиоэлектроники.
Рассмотрим принципиальную схему объясняющую принцип работы стабилитрона.
Возьмем стабилитрон параметром — напряжение стабилизации 12Вольт. Для того чтобы через стабилитрон начал поступать ток в обратном направлении от катода к аноду, входное напряжение должно быть выше напряжения стабилизации стабилитрона (с запасом). Например — если стабилитрон рассчитан на напряжение стабилизации 12Вольт входное напряжение должно быть не меньше 15Вольт. Балластный резистор Rб ограничивает ток который будет проходить через стабилитрон до номинального. Как видишь, при напряжении, превышающем ток стабилизации стабилитрона, оный начинает сбрасывать лишнее напряжение через себя на минус. Иными словами, стабилитрон, выполняет роль переливной трубы, чем больше напор воды или величина электрического тока, тем сильнее открывается стабилитрон и наоборот при уменьшении напряжения, стабилитрон начинает закрываться, уменьшая прохождения тока через себя.
Эти изменения могут происходить как плавно, так и с огромной скоростью в малых интервалах времени, что позволяет добиться высокого коэффициента стабилизации напряжения.
Если напряжение на входе стабилизатора будет меньше 12Вольт, стабилитрон “закроется” и напряжение на выходе стабилизатора будет “плавать” так – же, как и на входе, при этом никакой стабильности напряжения не будет. Вот почему напряжение входное должно быть больше чем необходимое выходное (с запасом). Приведенная схема называется параметрический стабилизатор . Кто хочет полный расклад по расчету параметрического стабилизатора, пусть посетит ГУГЛ, нам начинающим для первого раза вполне достаточно, не будем заморачивать себя формулами.
Теперь перейдем к лабам (лабораторным работам :).
Перед тобой макет параметрического стабилизатора, на входе и выходе макета имеются вольтметры. Сейчас вольтметр на ВХОДЕ стабилизатора показывает 6 вольт на ВЫХОДЕ стабилизатора практически такое же напряжение. Так как я уже говорил, стабилитрон макета имеет напряжение стабилизации 8и2 вольта, напряжение в 6 Вольт на ВХОДЕ стабилизатора, не превышает напряжение стабилизации стабилитрона, поэтому стабилитрон закрыт.
Теперь я повышаю напряжение на входе стабилизатора до 15 Вольт, напряжение на входе стабилизатора превысило напряжение стабилизации стабилитроне и на выходе стабилизатора достигло заданного напряжения стабилизации 8.2 Вольта таким оно и остается, практически неизменным, даже при резких бросках напряжения, стабилитрон отрабатывает мгновенно, поддерживая стабильность напряжения. Повторяюсь еще раз – “Для того чтобы параметрический стабилизатор работал правильно на входе всегда должно быть напряжение, превышающее напряжение стабилизации стабилитрона т. е. с запасом примерно 15-25%”
Так как ток стабилизации такого параметрического стабилизатора слишком мал, параметрический стабилизатор обычно применяют в блоках питания как стабилизирующий элемент схемы, где кроме самого стабилизатора присутствуют элементы регулировки напряжения, мощные транзисторы.
Пример — схема регулируемого стабилизатора (блока питания).
В современной электронике, параметрические стабилизаторы применяют все реже, в основном используя специальные микросхемы, которые представляют из себя довольно мощные стабилизаторы с очень хорошим коэффициентом стабилизации, они компактны и легко применимы. 
Но о них мы поговорим в следующий раз. Тем не менее, параметрические стабилизаторы можно встретить во многих различных электронных схемах, поэтому знать их и понимать элементарно принцип работы нужно.
Как проверить стабилитрон
Для проверки стабилитрона, нужно знать как пользоваться мультиметром и воспользоваться методикой проверки полупроводникового диода, если есть возможность можно собрать схему параметрического стабилизатора и проверить стабилитрон в работе, как описано в этой статье. Если у тебя имеется стабилитрон и ты не знаешь его параметры (стерлась надпись на корпусе стаба), собрав схемку параметрического стабилизатора можно определить на какое напряжение стабилизации работает этот неопознанный стаб.
Стабилитрон | Принцип работы и маркировка стабилитронов
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.
Как работает стабилитрон
Диод Зенера или стабилитрон (полупроводниковый стабилитрон) представляет собой особый диод, функционирующий в режиме устойчивого пробоя в условиях обратного смещения p-n перехода. До момента наступления этого пробоя, ток через стабилитрон протекает лишь очень малый, ток утечки, в силу высокого сопротивления запертого стабилитрона.
Но когда наступает пробой, ток мгновенно вырастает, поскольку дифференциальное сопротивление стабилитрона составляет в этот момент от долей до сотен Ом. Таким образом, напряжение на стабилитроне весьма точно поддерживается в определенном диапазоне обратных токов, относительно широком.
Стабилитрон называют диодом Зенера (от англ. Zener diode) в честь ученого, впервые открывшего явление туннельного пробоя, американского физика Кларенса Мэлвина Зенера (1905 — 1993).
Открытый Зенером электрический пробой p-n перехода, связанный с туннельным эффектом, явлением просачивания электронов сквозь тонкий потенциальный барьер, называется теперь эффектом Зенера, который и служит сегодня в полупроводниковых стабилитронах.
Физическая картина эффекта заключается в следующем. При обратном смещении p-n перехода энергетические зоны перекрываются, и электроны могут переходить из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области, благодаря электрическому полю, это повышает количество свободных носителей заряда, и обратный ток резко возрастает.
Таким образом, главным назначением стабилитрона является стабилизация напряжения. Промышленностью выпускаются полупроводниковые стабилитроны с напряжениями стабилизации от 1,8 В до 400 В, большой, средней и малой мощности, которые отличаются максимально допустимым обратным током.
На этой базе изготавливают простые стабилизаторы напряжения. На схемах стабилитроны обозначаются символом похожим на символ диода, с тем лишь отличием, что катод стабилитронов изображается в форме буквы «Г».
Стабилитроны скрытой интегральной структуры, с напряжением стабилизации около 7 В — это самые точные и стабильные твердотельные источники опорного напряжения: лучшие их экземпляры характеристически близки к нормальному гальваническому элементу Вестона (эталонный ртутно-кадмиевый гальванический элемент).
К стабилитронам особого типа относятся высоковольтные лавинные диоды («TVS-диоды» и «супрессоры»), которые широко применяются в цепях защиты от перенапряжений всевозможной аппаратуры.
Как видим, стабилитрон, в отличие от обычного диода, работает на обратной ветви ВАХ. В обычном диоде, если к нему приложить обратное напряжение, может возникнуть пробой по одному из трех путей (или по всем сразу): туннельный пробой, пробой лавинный и пробой вследствие теплового разогрева токами утечки.
Тепловой пробой кремниевым стабилитронам не важен, ибо они проектируются так, чтобы или туннельный, или лавинный пробой, либо оба типа пробоя одновременно наступали задолго до тенденции к тепловому пробою. Серийные стабилитроны на данный момент изготавливаются преимущественно из кремния.
Пробой при напряжении ниже 5 В — проявление эффекта Зенера, пробой выше 5 В — проявление лавинного пробоя. Промежуточное напряжение пробоя около 5 В, как правило, является результатом сочетания двух этих эффектов. Напряженность электрического поля в момент пробоя стабилитрона составляет около 30 МВ/м.
Пробой стабилитрона происходит в умеренно легированных полупроводниках р-типа и сильно легированных полупроводниках n-типа. При повышении температуры на стыке уменьшается срыв стабилитрона и вклад лавинного пробоя увеличивается.
Стабилитроны имеют следующие типичные характеристики. Vz – напряжение стабилизации. В документации указываются два значения для этого параметра: максимальное и минимальное значение напряжения стабилизации. Iz – минимальный ток стабилизации. Zz – сопротивление стабилитрона. Izk и Zzk– ток и динамическое сопротивление при постоянном токе. Ir и Vr — максимальный ток утечки и напряжение при заданной температуре. Tc — температурный коэффициент. Izrm — максимальный ток стабилизации стабилитрона.
Стабилитроны широко применяют в качестве самостоятельных стабилизирующих элементов, а также источников образцовых напряжений (опорных напряжений) в стабилизаторах на транзисторах.
Для получения малых образцовых напряжений стабилитроны включают и в прямом направлении, как обычные диоды, тогда напряжение стабилизации одного стабилитрона будет равно 0,7 — 0,8 вольт.
Максимальная рассеиваемая корпусом стабилитрона мощность, обычно лежит в диапазоне от 0,125 до 1 ватта. Этого, как правило, достаточно для нормальной работы цепей защиты от импульсных помех и для построения маломощных стабилизаторов.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
