Стабилитрон принцип работы

Стабилитрон - сильно легированный кремниевый кристаллический диод, пропускающий ток в прямом направлении так же, как и обычный диод. Он также позволяет току идти в обратном направлении, когда уровень приложенных к полупроводнику потенциалов превышает определенное значение, известное как U пробоя или напряжение колена Зенера.

Устройство сначала назвали в честь американского ученого Кларенса Зенера, который описал в своей работе свойство разрушения электрических изоляторов.

Открытый американским физиком Зенером электрический пробой p-n перехода, связанный непосредственно с туннельным эффектом, явлением просачивания электронов сквозь тонкий слой потенциального барьера, назвали эффектом Зенера

Физическая картина эффекта Зенера состоит в том, что при обратном смещении p-n перехода энергетические зоны начинают блокироваться, и свободные электроны могут перетекать из валентной зоны p-области в зону проводимости n-типа, благодаря электрическому полю, это повышает число свободных носителей заряда, и обратный ток стабилитрона резко увеличивается.

Таким образом, главной задачей стабилитрона является стабилизация напряжения. Электронная промышленность выпускает их на номинальные напряжения от 1,8 В до 400 Вольт, большой, средней и малой мощности, которые отличаются максимально допустимым обратным током.

На принципиальных схемах стабилитроны обозначаются символом похожим на знак полупроводникового диода, с тем лишь небольшим отличием, что их катод изображается в форме русской буквы «Г».

Стабилитроны скрытой интегральной структуры, со стабилизацией 7 В — это самые стабильные и точные твердотельные источники опорного напряжения: лучшие их представители по своим свойствам близки к нормальному гальваническому элементу Вестона (эталонный ртутно-кадмиевый гальванический элемент).

Разновидностью стабилитронов можно считать «суппрессоры», «TVS-диоды», их основная задача защита электроаппаратуры.

Стабилитроны вводные понятия и принцип работы

Полупроводниковые стабилитроны появились где-то во второй половине 50-х годов прошлого века. Различают дискретные стабилитроны общего назначения — разной мощности. Прецизионные стабилитроны, в.т.ч термокомпенсированные и со скрытой структурой; Подавители импульсных помех («ограничительные диоды», «суппрессоры»).

Прежде всего, следует помнить о том, что стабилитроны работают только в цепях постоянного тока. Напряжение на него подают в обратной полярности, то есть на анод будет подан минус, а на катод соответственно плюс. При таком включении через него течет обратный ток (I_обр). Входное U его может изменяться, а на стабилитроне будет изменяться только обратный ток, а вольты на нагрузке останутся постоянными, то есть стабильными. На рисунке ниже показана вольт-амперная характеристика диода Зенера.

Основным принципом работы стабилитрон является то, что он работает на обратной ветви Вольт-амперной характеристики. Как хорошо видно из нее, основными характеристиками стабилитрона является U_ст - напряжение стабилизации и Iст (ток стабилизации). Эти данные можно узнать в справочниках по электронике.

В типовом диоде, если к нему приложить U_обр, может возникнуть пробой по одному из трех направлений туннельный, лавинный и пробой из-за теплового разогрева токами утечки. Тепловой пробой кремниевым стабилитронам совершенно не интересен, т.к они проектируются с учетом того, чтобы или туннельный, или лавинный пробой наступали задолго до зарождающейся тенденции к тепловому пробою. Серийные стабилитроны отечественного и зарубежного исполнения в настоящее время изготавливаются в основном из кремния.

Пробой при напряжении ниже 5 В характеризуется проявлением эффекта Зенера, пробой выше 5 Вольт — проявление лавинного пробоя. Промежуточное напряжение пробоя около 5 В, является результатом сочетания двух выше упомянутых эффектов. Напряженность электрического поля в момент пробоя составляет около 30 МВ/м. Пробой стабилитрона осуществляется в умеренно легированных полупроводниках р-проводимости и сильно легированных полупроводниках n. С ростом температуры на стыке снижается срыв стабилитрона и вклад лавинного пробоя возрастает.

Когда U обратное, приложенное к стабилитрону, увеличивается и достигает уровня пробоя, то электрический ток проходящий через него может достигать достаточно больших величин. В режиме пробоя стабилитрона дальнейшего увеличение U обратного не будет, только увеличивается ток. Таким образом, постоянное напряжение, сохраняется на стабилитроне при изменении питающего. Поэтому он работает, по принципу регулятора.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона получена с помощью откладывания U_обр оси X и обратного тока вдоль оси Y. Когда U_обр достигает некоторого значения, I_обр увеличивается до гораздо большого уровня, но напряжение на стабилитроне остается постоянным.

Основные справочные параметры и характеристики стабилитронов

Для проектирования и разработки схем с использованием стабилитронов необходимо знать три основных его параметра: Напряжение стабилизации, минимальный токи и предельно-допустимый обратный ток. В отдельных случаях используют величину предельно допустимого прямого тока стабилитрона, если он применяется в схеме переменного тока и должен проводить ток в оба полупериода.

На рисунке ниже приведены для примера дифференциальные характеристики различных стабилитронов.

Как видим из графиков, значение дифференциального сопротивления для стабилитрона обратно пропорционально току стабилизации и составляет десятки Ом при рабочих токовых параметрах. Точность значения U стабилизации составляет десятки милливольт в типовом температурном диапазоне.

Максимальная рассеиваемая корпусом стабилитрона мощность, обычно находится в интервале от 0,125 до 1 ватта. Этого, вполне хватает для нормальной работы схемы защиты от импульсных помех и для построения маломощных стабилизаторов.

Применение стабилитронов в радиолюбительской практике

Как мы уже знаем основная область использования стабилитронов — стабилизация постоянного напряжения в источниках питания. В простейших конструкциях линейного параметрического стабилизатора стабилитрон играет роль и источника опорного напряжения, и силового регулирующего элемента. В более сложных схемах ему отводится только задача источника опорного напряжения, а регулирующим элементом является внешний силовой транзистор.

Рассмотрим реальные практические примеры, использования стабилитронов в схемах блоках питания не требующих высокой стабильности напряжения питания.

Стабилитроны обычно используются в роли регуляторов напряжения в различных радиолюбительских схемах, кроме того их можно применять в устройствах защиты от перенапряжений, которые используются в различной бытовой техники, чтобы защитить их от колебаний сети.

Как проверить стабилитрон

Для многих радиолюбительских самоделок необходимы стабилизированные источники питания. Основным их элементом является полупроводниковый прибор, который способен обеспечить постоянное выходное напряжение. Итак, проверить этот радио элемент и его работоспособность и функционирование можно несколькими простыми способами.

Аналог стабилитрона на транзисторах

Если требуется стабилитрон на “нестандартное” напряжение, то поможет транзисторный аналог последнего. Схема полностью подходит для замены и может использоваться для замены стабилитронов в диапазоне напряжений 3-25 вольт.