Стабилитрон: принцип работы, маркировка, обозначение, параметры, свойства

Устройство

Полупроводниковые стабилитроны пришли на смену устаревшим тлеющим разрядным стабилитронам — ионно-газоразрядным электровакуумным приборам. Для изготовления стабилитронов применяют кристаллы (таблетки) кремния или германия с n-типом проводимости, в которые методом легирования или диффузионного легирования вводят примеси.

Для получения электронно-дырочного pn-перехода используются акцепторные примеси, в основном алюминий. Кристаллы заключены в корпуса из полимерных материалов, металла или стекла.

Стабилитроны из кремниевого сплава Д815 (АИ) изготавливаются в металлическом герметичном корпусе, являющемся положительным электродом. Такие элементы имеют широкий диапазон рабочих температур — от -60°С до +100°С.

Двуханодные стабилизирующие диоды КС175А, КС182А, ​​КС191А, КС210Б, КС213Б из кремниевого сплава выпускаются в пластиковом корпусе. Термокомпенсированные детали из кремниевого сплава КС211 (БД), используемые в качестве источников опорного напряжения, имеют пластиковый корпус.

Стабилитроны SMD, т.е миниатюрные компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, в основном изготавливаются в стеклянных и пластиковых корпусах. Такие элементы могут изготавливаться с двумя и тремя выводами. В последнем случае третий вывод является «фиктивным», он не несет смысловой нагрузки и предназначен только для надежной фиксации детали на печатной плате.

Принцип действия

Зенеровский диод был открыт американским физиком Кларенсом Мелвином Зенером, в честь которого он и был назван. Электрический пробой p-n перехода может быть вызван туннельным пробоем (в этом случае пробой называется зенеровским), лавинным пробоем, пробоем из-за термической неустойчивости, возникающей из-за разрушительного саморазогрева токов утечки.

И инженеры проектируют эти элементы таким образом, что возникновение туннелей и/или лавин происходит задолго до того, как они могут подвергнуться тепловому разрушению.

Величина напряжения пробоя зависит от концентрации примесей и способа легирования p-n-перехода. Чем выше концентрация примесей и выше их градиент в переходе, тем меньше обратное напряжение, при котором происходит пробой.

• Туннельный (зенеровский) пробой происходит в полупроводнике при напряженности электрического поля в pn-зоне 106 В/см. Такое высокое напряжение может иметь место только в высоколегированных диодах. При напряжениях пробоя в диапазоне 4,5–6,7 В одновременно существуют туннельный и лавинный эффекты, а при напряжениях пробоя ниже 4,5 В сохраняется только туннельный эффект.
• В стабилитронах с низким уровнем легирования или меньшими градиентами легирования реализуется только лавинный механизм пробоя при напряжении пробоя около 4,5 В. А при напряжении выше 7,2 В остается только лавинный эффект, а туннельный эффект полностью исчезает.

Как уже говорилось ранее, при прямом включении стабилитрон прямого включения ведет себя так же, как и обычный диод — проводит ток. Различия между ними возникают при обратном подключении.

Обычный диод при обратном включении блокирует ток, а стабилитрон при достижении обратным напряжением значения, называемого напряжением стабилизации, начинает пускать ток в обратном направлении. Это связано с тем, что при подаче на стабилитрон напряжения, превышающего U ном единицу, в полупроводнике происходит процесс, называемый пробоем.

Повреждения могут быть туннельными, лавинными, термическими. В результате пробоя ток, протекающий через стабилитрон, возрастает до максимального значения, ограниченного сопротивлением. После достижения напряжения пробоя ток остается примерно постоянным в широком диапазоне обратных напряжений.

Точка, в которой напряжение запускает ток, может быть очень точно установлена ​​в процессе легирования. Поэтому каждому элементу присваивается определенное напряжение пробоя (стабилизации).

Стабилитрон используется только в режиме «обратного смещения», то есть его анод подключается к «-» источника питания. Способность стабилитрона инициировать обратный ток при достижении напряжения пробоя используется для регулирования и стабилизации напряжения при изменении напряжения питания или подключенной нагрузки.

Использование стабилитрона позволяет обеспечить постоянное выходное напряжение подключенного потребителя при колебаниях напряжения питания или изменении тока потребителя.

Вольт-амперная характеристика

ВАХ стабилитрона, как и обычного диода, имеет две ветви — прямую и обратную. Прямая ветвь — это режим работы традиционного диода, а обратная характеризует работу стабилитрона. Стабилитрон называется опорным диодом, а источник напряжения, в цепи которого имеется стабилитрон, опорным.

На обратной ветви опорного диода имеется три основных значения обратного тока:

• Минимум. При токе меньше минимального значения стабилитрон остается закрытым.
• Оптимальный. При изменении тока в широких пределах между точками 1 и 3 значение напряжения меняется незначительно.
• Максимум. Когда ток превышает максимальное значение, эталонный диод перегревается и выходит из строя. Максимальное значение тока ограничено максимально допустимой мощностью потерь, которая сильно зависит от внешних температурных условий.

Типы электронных схем

В радиоэлектронике существует несколько видов схем: принципиальные схемы, схемы соединений, блок-схемы, карты напряжений и сопротивлений.

Принципиальные схемы

Такая электрическая схема дает полное представление обо всех функциональных узлах цепи, типах связей между ними, принципе работы электрооборудования. Принципиальные схемы часто используются в распределительных сетях. Они делятся на два типа:

• Простая линия. На таком чертеже изображают только силовые цепи.
• Полный. Если электромонтаж несложный, все элементы можно показать на одном листе. Для описания оборудования, включающего несколько цепей (силовую, измерительную, контрольную), чертежи делают для каждого узла и размещают на разных листах.

Блок-схемы

Блок в радиоэлектронике — самостоятельная часть электронного устройства. Блок — это общее понятие, он может содержать как небольшое, так и значительное количество деталей. Блок-схема (или структурная схема) дает лишь общее представление об устройстве электронного устройства.

Не показывает: точный состав блоков, количество участков для их работы, схемы, по которым они собираются. На блок-схеме блоки обозначаются квадратами или кружками, а связи между ними — одной или двумя линиями. Направление прохождения сигнала указано стрелками. Имена блоков в полной или сокращенной форме можно использовать непосредственно на диаграмме.

Второй вариант — нумерация блоков и расшифровка этих номеров в таблице, размещенной на полях чертежа. На графических изображениях блоков можно показать основные детали или использовать графики их работы.

Монтажные

Электросхемы удобны для самостоятельного составления электрической цепи. В них указывается расположение каждого элемента в цепи, способы связи, прокладка соединительных проводов. Обозначение радиоэлементов на таких схемах обычно приближено к их естественному виду.

Карты напряжений и сопротивлений

Карта напряжения (диаграмма) представляет собой чертеж, на котором рядом с отдельными частями и их выводами указаны значения напряжения, характерные для нормальной работы устройства. Напряжения размещены в отверстиях стрелок, которые показывают, где необходимо производить измерения. На карте сопротивлений указаны значения сопротивлений, характерные для исправного устройства и цепей.

Области применения

Основная область применения этих элементов – стабилизация постоянного напряжения в маломощных ИП или в отдельных узлах, мощность которых не превышает десятков ватт. С помощью опорных диодов обеспечивают нормальный режим работы транзисторов, микросхем, микроконтроллеров.

В стабилизаторах простой конструкции стабилитрон является одновременно источником опорного напряжения и регулятором. В более сложных конструкциях стабилитрон служит только источником опорного напряжения, а для регулирования мощности используется внешний силовой транзистор.

Термокомпенсированные стабилитроны и детали со скрытой структурой востребованы как дискретные и интегральные источники опорного напряжения. Для защиты электрооборудования от перенапряжений разработаны импульсные лавинные стабилитроны.

Для защиты входов электроприборов и затворов полевых транзисторов в схеме установлены обычные маломощные стабилитроны. Полевые транзисторы (ИПТ) с изолированным затвором выполнены с кристаллом, на котором размещены: защитный стабилитрон и силовой транзистор.

Основные характеристики

В паспорте стабилизационного диода указаны следующие параметры:

• Номинальное напряжение стабилизации Uст. Этот параметр выбирается производителем устройства.
• Диапазон рабочего тока. Минимальный ток — значение тока, с которого начинается процесс стабилизации. Максимальный ток – это значение, выше которого устройство выходит из строя.
• Максимальная потеря мощности. В маломощных элементах это проходное значение. В паспорте на мощные стабилитроны для расчета условий охлаждения производитель указывает: максимально допустимую температуру полупроводника и коэффициент термического сопротивления корпуса.

Кроме параметров, указанных в паспорте, стабилитроны характеризуются и другими значениями, в том числе:

• Дифференциальное сопротивление. Эта характеристика определяет нестабильность устройства по напряжению питания и току нагрузки. Первый недостаток устраняется за счет питания стабилизационного диода от источника постоянного тока, а второй — подключением буферного усилителя постоянного тока с эмиттерным повторителем между стабилитроном и нагрузкой.
• Температурный коэффициент напряжения. По стандарту эта величина равна отношению между относительным изменением напряжения стабилизации и абсолютным изменением температуры наружного воздуха. В нетермостабилизированных стабилитронах при нагреве от +25°С до +125°С напряжение стабилизации сдвигается на 5-10% от исходного значения.
• Эксплуатация и шум. Эти характеристики для обычных стабилитронов не определены. Для прецизионных устройств это очень важные свойства. В обычных (непрецизионных) стабилитронах шум создают: большое количество примесей и дефектов кристаллической решетки в области p-n перехода. Способы снижения шума (при необходимости): защитная пассивация оксидом или стеклом (примеси уводятся вглубь кристалла) или перемещение самого p-n перехода вглубь кристалла. Второй способ более радикальный. Он востребован в малошумящих диодах со скрытой структурой.

Номинальное напряжение стабилизации

Первый параметр стабилитрона, на который нужно обратить внимание при выборе, это напряжение стабилизации, которое определяется начальной точкой лавинного пробоя. Начинается он с выбора устройства для использования в схеме.

Для разных корпусов распространенных стабилитронов, даже одного типа, разброс напряжения в пределах нескольких процентов, для прецизионных диодов разница меньше. Если номинальное напряжение неизвестно, его можно определить, собрав простую схему. Вы должны подготовить:

• балластное сопротивление 1…3 кОм;
• источник регулируемого напряжения;
• вольтметр (можно использовать тестер).

Необходимо поднять напряжение источника тока от нуля, проверить рост напряжения на стабилитроне с помощью вольтметра. В какой-то момент он остановится, несмотря на дальнейшее увеличение входного напряжения. Это и есть фактическое напряжение стабилизации.

При отсутствии регулируемого источника можно использовать блок питания с постоянным выходным напряжением, заведомо превышающим Uстабил. Схема и принцип измерения остаются прежними. Но есть риск выхода из строя полупроводникового прибора из-за превышения рабочего тока.

Стабилитроны применяются для работы с напряжениями от 2…3 В до 200 В. Для формирования стабильного напряжения ниже этого диапазона применяют другие устройства — стабилизаторы, работающие в прямой части ВАХ.

Диапазон рабочих токов

Ток, при котором стабилитроны выполняют свою функцию, ограничен сверху и снизу. Снизу она ограничена началом линейной части обратной ветви ВАХ. При меньших токах характеристика не обеспечивает режим постоянного напряжения.

Верхнее значение ограничено максимальными потерями мощности, на которые способен полупроводниковый прибор, и зависит от его конструкции. Стабилитроны в металлическом корпусе рассчитаны на больший ток, но не стоит забывать об использовании теплоотводов. Без них максимально допустимая сила рассеивания будет значительно меньше.

Дифференциальное сопротивление

Еще одним параметром, определяющим работу стабилитрона, является дифференциальное сопротивление Rст. Он определяется как отношение изменения напряжения ΔU к вызвавшему его изменению тока ΔI. Это значение имеет размерное сопротивление и измеряется в омах. Графически это касательная к наклону рабочей части характеристики.

Чем ниже сопротивление, тем лучше качество стабилизации. Для идеального (не существующего на практике) стабилитрона Rst равно нулю — любое увеличение тока не вызовет изменения напряжения, а участок ВАХ будет параллелен оси у.

Способы включения – последовательное и параллельное

Для деталей импортного производства сопроводительные документы не регламентируют ситуации, когда возможно последовательное или параллельное соединение. В документации на отечественные эталонные диоды можно найти два указания:

• В устройствах малой и средней мощности любое количество однорядных стабилитронов может быть соединено последовательно или параллельно.
• В устройствах средней и большой мощности возможно последовательное соединение любого количества стабилизирующих диодов одной серии. В случае параллельного подключения необходимо произвести расчеты. Суммарная мощность потерь всех параллельно включенных стабилитронов не должна превышать потери одной детали.

Допускается последовательное соединение эталонных диодов разных серий, если рабочие токи создаваемой схемы не превышают токов стабилизации каждой серии, установленных в схеме.

На практике для умножения напряжения стабилизации чаще всего применяют последовательное соединение двух или трех стабилитронов. Эта мера применяется, если не удалось довести деталь до нужного напряжения или необходимо изготовить высоковольтный стабилитрон.

При последовательном соединении напряжения отдельных элементов складываются. В основном такой тип соединения используется при монтаже высоковольтных стабилизаторов.

Параллельное соединение деталей служит для увеличения тока и мощности. На практике, однако, такой тип соединения применяется редко, так как разные экземпляры опорных диодов, даже одного типа, имеют не совсем одинаковые напряжения стабилизации.

Поэтому при параллельном соединении разряд произойдет только в части с наименьшим напряжением стабилизации, а в остальных пробой не произойдет. При возникновении пробоя одни стабилитроны в такой схеме будут работать с недогрузкой, а другие с перегрузкой.

Для стабилизации переменного напряжения стабилитроны включены последовательно и на счет. В первом полупериоде синусоиды переменного тока один элемент выполняет роль обычного диода, а другой выполняет функции стабилитрона. Во втором полупериоде элементы меняют функции. Форма выходного напряжения отличается от входного.

Конфигурация напоминает трапецию. Это связано с тем, что будет срезано напряжение, превышающее напряжение стабилизации, и будет срезан пик синусоиды. Последовательное и встречное соединение стабилитронов может быть использовано в термостабилизированном стабилитроне.

Как обозначаются различные радиодетали на схемах

Как упоминалось ранее, для обозначения каждого типа радиодеталей существует специальный графический символ.

Резисторы

Эти детали предназначены для регулирования тока в цепи. Постоянные резисторы имеют определенное и постоянное значение сопротивления. Для переменных сопротивление колеблется от нуля до установленного максимального значения. Наименования и обозначения этих радиодеталей на схеме регламентируются ГОСТ 2.728-74 ЕСКД. В общем случае на чертеже они представляют собой прямоугольник с двумя проводами. Американские производители обозначают резисторы на схемах зигзагообразной линией.
изображение резисторов на схемах
изображение резисторов на принципиальных схемах

Постоянные резисторы

Характеризуется сопротивлением и мощностью. Они обозначены прямоугольником с линиями, обозначающими определенное значение мощности. Превышение указанного значения приведет к выходу детали из строя.

Также на схеме указаны: буква R (сопротивление), цифра, обозначающая порядковый номер детали в цепи, значение сопротивления. Эти радиодетали обозначаются цифрами и буквами – «К» и «М». Буква «К» означает кОм, «М» — мОм.

Переменные резисторы

изображение переменных резисторов на схемах.

В их конструкцию входит подвижный контакт, изменяющий значение сопротивления. Деталь используется как элемент управления в звуковом и другом подобном оборудовании. На схеме он обозначен прямоугольником, обозначающим неподвижные и подвижные контакты. На чертеже показано постоянное номинальное сопротивление. Существует несколько вариантов подключения резисторов:
варианты подключения сопротивления

• Последовательный. Конечный выход одной части соединен с начальным выходом другой. Через все элементы цепи протекает общий ток. Подключение каждого последующего резистора увеличивает сопротивление.
• Параллельно. Первые выводы всех резисторов подключаются в одну точку, последние в другую. Через каждый резистор протекает ток. Общее сопротивление в такой цепи всегда меньше сопротивления одиночного резистора.
• Смешанный. Это самый популярный вид соединения деталей, сочетающий в себе два описанных выше.

Конденсаторы

графическое изображение конденсаторов на схемах Конденсатор – это радиодеталь, состоящая из двух пластин, разделенных диэлектрическим слоем. Наносится на схему в виде двух линий (или прямоугольников — для электролитических конденсаторов) с указанием пластин.

Зазор между ними представляет собой диэлектрический слой. По популярности в цепях конденсаторы уступают только резисторам. Они способны накапливать электрический заряд с последующей отдачей.

• Конденсаторы с фиксированной емкостью. Буква «С» расположена рядом со значком, серийным номером детали, значением номинальной емкости.
• С переменной мощностью. Рядом с графическим значком проставлены минимальное и максимальное значения мощности.

В цепях с высоким напряжением в конденсаторах, за исключением электролитических, значение напряжения указывается емкостью. При подключении электролитических конденсаторов необходимо соблюдать полярность. Для обозначения положительно заряженной пластины используйте знак «+» или узкий прямоугольник.

При отсутствии полярности обе пластины обозначаются узкими прямоугольниками. В фильтрах питания низкочастотных и импульсных блоков установлены электролитические конденсаторы.

Читайте также: Какой бывает схема светодиодной лампы: устройство простейших драйверов

Составные стабилитроны

Составной стабилитрон — устройство, применяемое в ситуациях, когда требуются токи и мощность большей величины, чем позволяют технические условия. В этом случае между стабилизирующим диодом и нагрузкой включается буферный усилитель постоянного тока. В схеме коллекторный переход транзистора включен параллельно стабилизирующему диоду, а эмиттерный — последовательно.

Обычная схема составного стабилитрона не предназначена для приложений постоянного тока. Но добавление диодного моста делает составной стабилитрон системой двойного действия, которая может работать как в прямом, так и в обратном направлении.

Такие стабилитроны еще называют двойными или двуханодными. Стабилитроны, которые могут работать с напряжением только одной полярности, называются несимметричными. А составные стабилитроны, способные работать во всех направлениях тока, называются симметричными.

Виды стабилитронов

На современном рынке электроники существует широкий выбор стабилитронов, адаптированных для конкретных приложений.

Прецизионные

Эти устройства обеспечивают высокую стабильность выходного напряжения. К ним предъявляются дополнительные требования по временной нестабильности напряжения и температурному коэффициенту напряжения. К прецизионным единицам относятся:

• Термически компенсируется. Схема термокомпенсированного стабилитрона включает последовательно соединенные: стабилитрон с номинальным напряжением 5,6 В (с положительным температурным коэффициентом) и диод прямого освещения (с отрицательным коэффициентом). При последовательном соединении этих элементов температурные коэффициенты взаимно компенсируются. Вместо диода в схеме можно использовать второй стабилитрон, включенный последовательно и счетно.
• Со скрытой структурой. Ток пробоя в обычном стабилитроне сосредоточен в слое кремния вблизи поверхности, где находится максимальное количество примесей и дефектов решетки. Эти конструктивные недостатки провоцируют шум и нестабильную работу. В деталях со скрытой структурой ток пробоя «загоняется» внутрь кристалла за счет образования глубокого островка проводимости p-типа.

Быстродействующие

Для них характерны: низкое значение барьерной емкости, всего десятки пикофарад и короткий период переходного процесса (наносекунды). Такие свойства позволяют эталонному диоду ограничивать и стабилизировать кратковременные импульсы напряжения.

Стабилизирующие диоды могут быть рассчитаны на стабилизацию напряжения от нескольких вольт до нескольких сотен вольт. Высоковольтные стабилитроны устанавливаются на специальные охладители, способные обеспечить необходимую теплоотдачу и защитить элемент от перегрева и последующего разрушения.

Регулируемые стабилитроны

При изготовлении стабилизированных блоков питания требуемый стабилитрон может отсутствовать. В данном случае собрана регулируемая схема стабилитрона.

Нужное напряжение для стабилизационного диода подбирается с помощью резистора R1. Для настройки схемы вместо резистора R1 подключается переменный резистор номиналом 10 кОм. После получения нужного значения напряжения определяют результирующее сопротивление и устанавливают на постоянное место резистор нужного номинала. Для этой схемы можно использовать транзисторы КТ342А, КТ3102А.

Способы маркировки

На корпусе детали имеется буквенная или буквенно-цифровая маркировка, характеризующая электрические характеристики и назначение устройства. Есть два типа брендов. Детали в стеклянном корпусе маркируются обычным способом.

На поверхности элемента напряжение стабилизации написано с помощью буквы V, которая выполняет роль десятичной точки. Маркировка из четырех цифр и буквы в конце менее четкая. Его можно расшифровать только с помощью даташита.

Еще одним способом обозначения стабилизирующих диодов является цветовая маркировка. Часто используется японский вариант, который представляет собой два или три цветных кольца. Если колец два, то каждое из них обозначает определенное число. Если второе кольцо используется в двойном варианте, это означает, что запятая должна быть поставлена ​​между первой и второй цифрами.

Как отличить стабилитрон от обычного диода

Оба эти элемента имеют на схеме схожее обозначение. На практике отличить стабилитрон от обычного диода и даже узнать его номинал, если он не более 35 В, можно с помощью приставки к мультиметру.

Схема приставки мультиметра

Для реализации генератора широтно-импульсной модуляции используется специализированная ИМС MC34063. Для обеспечения гальванической развязки между источником питания и измерительной частью цепи контролируют напряжение на первичной обмотке трансформатора.

Это позволяет создать выпрямитель на VD2. Точка стабилизации выходного напряжения устанавливается с помощью резистора R3. Напряжение на конденсаторе С4 около 40 В. Стабилизатор тока А2 и проверяемый опорный диод образуют параметрический стабилизатор, а подключенный к клеммам схемы мультиметр позволяет определить напряжение стабилитрона.

Если диод подключен в противоположной полярности (анод к «-», а катод к «+»), мультиметр для обычного диода покажет 40 В, а для стабилитрона напряжение стабилизации.

Для определения работоспособности стабилитрона с известным номиналом используется простая схема, состоящая из источника тока и токоограничивающего резистора сопротивлением 300… 500 Ом. В этом случае с помощью мультиметра определяется не переходное сопротивление, а напряжение. Включите элементы, как показано на схеме, и измерьте напряжение на стабилитроне.

медленно увеличивайте напряжение источника питания. При значении напряжения стабилизации напряжение на стабилитроне должно перестать расти. Если это произошло, элемент работает. Если при последующем увеличении напряжения ИП диод не начал стабилизироваться, он не работает.

Как правильно подобрать стабилитрон?

Зенеровские диоды являются стабилизаторами малой мощности. Поэтому их нужно выбирать так, чтобы через них мог пройти без перегрева весь ток нагрузки плюс минимальный ток стабилизации.

Чтобы правильно подобрать стабилитрон для электрической цепи, необходимо знать следующие параметры: минимальное и максимальное входное напряжение, выходное напряжение, минимальный и максимальный ток нагрузки. Напряжение стабилизации стабилитрона равно выходному напряжению.

А для расчета максимального тока, который может пройти через стабилитрон в той или иной цепи, и потери мощности при максимальном токе, лучше всего воспользоваться онлайн-калькулятором.