Составной стабилитрон как сделать
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 18.09.2024
Современная электронная аппаратура предъявляет жёсткие требования к стабильности постоянного напряжения источника питания. Настолько жёстки эти требования, можно судить по таким цифрам. Малой стабильностью считают такую, при которой изменения выходного напряжения источника питания составляют 2-5%, средней стабильностью 0,5-2%, высокой 0,1-0,5%, очень высокой – менее 0,1%. Такие высокие показатели стабильности высокого напряжения источника питания невозможно получить без специального устройства – стабилизатора постоянного напряжения, который включается на выходе источника питания.
Следует заменить, что основными причинами, вызывающими колебания выходного напряжения источника питания, являются изменения напряжения сети и сопротивление нагрузки. Оба дестабилизирующих фактора могут быть медленными – от нескольких минут до нескольких часов и быстрыми – доли секунды. И те и другие изменения постоянного напряжения отрицательно сказываются на работе электронной аппаратуры, поэтому стабилизатор должен действовать непрерывно и автоматически.
На основании изложенного можно дать следующее определение. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменениях в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки. Основой его служит стабилитрон – кремниевый диод, внутреннее сопротивление которого мало меняется при изменении тока. Малая зависимость падения напряжения на стабилитроне от протекающего тока является основным свойством стабилитрона. Благодаря этому свойству напряжение на стабилитроне, а значит, и нагрузка, подключенная к нему, поддерживается практически постоянным.
Рисунок 1 Вольтамперная характеристика стабилитрона
В стабилизаторах напряжения стабилитроны работают в режимах соответствующих этим участкам их вольтамперных характеристик. Пробой р-n перехода не ведёт к порче стабилитрона, если ток через него не превышает допустимого значения.
Стабилизирующие свойства такого полупроводникового прибора характеризуются его дифференциальным сопротивлением, которое выражают как отношение изменения напряжения стабилизации к вызвавшему это малому изменению тока стабилизации.
Чтобы стабилизатор выполнял свою функцию, протекающий через него ток должен быть не меньше минимального тока стабилизации, т.е наименьшего тока, при котором работа стабилитрона в режиме пробоя устойчива, и не больше максимального тока стабилизации наибольшего тока, при котором температура нагрева р-n перехода стабилитрона не превышает допустимой. При выборе полупроводникового прибора для работы в стабилизаторе напряжения ориентируется по его напряжению стабилизации – напряжению между его выводами в рабочем режиме.
Рисунок 2 Электрическая принципиальная схема простейшего параметрического стабилизатора
Практическая часть
1) Снятие вольтамперной характеристики
Рисунок 3 Электрическая принципиальная схема для снятия вольт амперной характеристики стабилитрона
Тут приведена полярность для обратной ветви характеристики, для снятия прямой ветви соответственно изменить полярность питания и подключения измерительных приборов.
2) Построение вольтамперной характеристики
График вольтамперной характеристики кремниевого стабилитрона строят по результатам таблицы. Примерный вид вольтамперной характеристики показан на рисунке 4.
Рисунок 4 Примерный вид вольтамперной характеристики
Рисунок 5 Электрическая принципиальная схема для исследования параметрического стабилизатора
Схема для исследования параметрического стабилизатора показана на рисунке 5. Поочередно осуществляется подключение нагрузочных резисторов R2 или R3 с разными сопротивлениями, тем самым изменяется нагрузочный ток.
Порядок выполнения работы
- Подключить к схеме для исследования параметрического стабилизатора измерительную аппаратуру и источник питания. Подготовить приборы для измерения соответствующих параметров.
- Рассчитать по известным параметрам схемы коэффициент стабилизации напряжения Кст стабилизатора.
- Определить экспериментально и записать в таблицу коэффициент стабилизации напряжения при изменениях входного напряжения от 25 до 30 В для обоих нагрузочных резисторов. Для чего установить входное напряжение стабилизатора с точностью до 0,05 В. Затем увеличив входное напряжение до 30 В снова измерить входное напряжение. По результатам измерений, записанных в таблицу, по формуле (6) определить искомый коэффициент стабилизации, сравнив с расчётами, сделанными в п.2, учитывая, что они могут отличаться на 20-30%.
- Определить расчётно-экспериментальным путём минимальное и максимальное сопротивление балластного резистора. Для определения сопротивление балластного резистора по формулам (4) необходимо измерить минимальное и максимальное значения нагрузочного тока, определённое при любом входном напряжении от 25 до 30 В. В качестве напряжения Uст принять значение напряжения Uн из таблицы, округляя его до 0,1 долей вольта.
- Определение коэффициента стабилизации.
Используемый в лабораторной работе стабилитрон Д814Б и резисторы (балластное сопротивление R1 МЛТ-2 510 Ом, нагрузочные резисторы R2 МЛТ-1 1 кОм и R3 МЛТ-0,5 3 кОм) закреплены на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.
Первая часть лабораторной работы состоит в снятии прямой и обратной ветвей вольтамперной характеристики стабилитрона
Во второй части на основе стабилитрона собирается простейший параметрический стабилизатор.
Меняя напряжение на входе стабилизатора, можно убедиться, что напряжение на нагрузке (резистор R2 или R3) изменяться практически не будет. Аналогично переключая резисторы R2 или R3 можно удостовериться, что изменение сопротивления нагрузки также не приводит к значительным колебаниям напряжения на ней.
Форум по обсуждению материала СТАБИЛИТРОНЫ
Приводятся основные сведения о планарных предохранителях, включая их технические характеристики и применение.
Про использование технологии беспроводного питания различных устройств.
В каком направлении течет ток - от плюса к минусу или наоборот? Занимательная теория сути электричества.
Микрофоны MEMS - новое качество в записи звука. Подробное описание технологии.
Если мы подключим диод и резистор последовательно с источником постоянного напряжения так, чтобы диод был смещен в прямом направлении (как показано на рисунке ниже (a)), падение напряжения на диоде будет оставаться достаточно постоянным в широком диапазоне напряжений источника питания.
В соответствии с диодным уравнением Шокли, ток через прямо-смещенный PN переход пропорционален e, возведенному в степень прямого падения напряжения. Поскольку это экспоненциальная функция, ток растет довольно быстро при умеренном увеличении падения напряжения. Другой способ рассмотреть это: сказать что напряжение, падающее на прямо-смещенном диоде, слабо изменяется при больших изменениях тока, протекающего через диод. На схеме, показанной на рисунке ниже (a), ток ограничен напряжением источника питания, последовательно включенным резистором и падением напряжения на диоде, которое, как мы знаем, не сильно отличается от 0,7 вольта. Если напряжение источника питания будет увеличено, падение напряжения на резисторе увеличится почти на такое же значение, а падение напряжения на диоде увеличится очень слабо. И наоборот, уменьшение напряжения источника питания приведет к почти равному уменьшению падения напряжения на резисторе и небольшому уменьшению падения напряжения на диоде. Одним словом, мы могли бы обобщить это поведение, сказав, что диод стабилизирует падение напряжения на уровне примерно 0,7 вольта.
Управление напряжением – это очень полезное свойство диода. Предположим, что мы собрали какую-то схему, которая не допускает изменений напряжения источника питания, но которую необходимо запитать от батареи гальванических элементов, напряжение которых меняется в течение всего срока службы. Мы могли бы собрать схему, как показано на рисунке, и подключить схему, требующую стабилизированного напряжения, к диоду, где она получит неизменные 0,7 вольта.
Это, безусловно, сработает, но для большинства практических схем любого типа для правильной работы требуется напряжение питания свыше 0,7 вольта. Одним из способов увеличения уровня нашего стабилизированного напряжения может быть последовательное соединение нескольких диодов, поскольку падение напряжения на каждом отдельном диоде, равное 0,7 вольта, увеличит итоговое значение на эту величину. Например, если бы у нас было десять последовательно включенных диодов, стабилизированное напряжение было бы в десять раз больше 0,7 вольта, то есть 7 вольт (рисунок ниже (b)).
Прямое смещение Si диодов: (a) одиночный диод, 0,7В, (b) 10 диодов, включенных последовательно, 7,0В.
Пробой обратно смещенного Si диода при напряжении примерно 100 В.
Условное графическое обозначение стабилитрона
Стабилитроны изготавливаются с напряжениями стабилизации в диапазоне от нескольких вольт до сотен вольт. Это напряжение стабилизации незначительно изменяется в зависимости от температуры, и его погрешность может составлять от 5 до 10 процентов от характеристик, указанных производителем. Однако, эта стабильность и точность обычно достаточны для использования стабилитрона в качестве стабилизатора напряжения в общей схеме питания, показанной на рисунке ниже.
Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне, напряжение стабилизации = 12,6 В
Как и любой полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температуре. Слишком высокая температура разрушит стабилитрон, и поскольку он и понижает напряжение, и проводит ток, то он выделяет тепло в соответствии с законом Джоуля (P = IU). Поэтому необходимо быть осторожным при проектировании схемы стабилизатора напряжения, чтобы не превышалась номинальная мощность рассеивания стабилитрона. Интересно отметить, что когда стабилитроны выходят из строя из-за высокой мощности рассеивания, они обычно замыкаются накоротко, а не разрываются. Диод, вышедший из строя по такой же причине, легко обнаружить: на нем падение напряжения практически равно нулю, как на куске провода.
Если напряжение стабилитрона составляет 12,6 вольт, а напряжение источника питания составляет 45 вольт, падение напряжения на резисторе будет составлять 32,4 вольта (45 вольт – 12,6 вольт = 32,4 вольта). 32,4 вольта, падающие на 1000 Ом, дают в цепи ток 32,4 мА (рисунок (b) ниже).
(a) Стабилизатор напряжения на стабилитроне с резистором 1000 Ом. (b) Расчет падений напряжения и тока.
Мощность рассчитывается путем умножения тока на напряжение (P=IU), поэтому мы можем легко рассчитать рассеивание мощности как для резистора, так и для стабилитрона:
Для этой схемы было бы достаточно стабилитрона с номинальной мощностью 0,5 ватта и резистора с мощностью рассеивания 1,5 или 2 ватта.
Если чрезмерная рассеиваемая мощность вредна, то почему бы не спроектировать схему с наименьшим возможным количеством рассеивания? Почему бы просто не установить резистор с очень высоким сопротивлением, тем самым сильно ограничивая ток и сохраняя показатели рассеивания очень низкими? Возьмем эту же схему, например, с резистором 100 кОм, вместо резистора 1 кОм. Обратите внимание, что и напряжение питания, и напряжение стабилитрона не изменились:
Стабилизатор напряжения на стабилитроне с резистором 100 кОм
При 1/100 от значения тока, который был у нас ранее (324 мкА, вместо 32,4 мА), оба значения рассеиваемой мощности должны уменьшиться в 100 раз:
Кажется идеальным, не так ли? Меньшая рассеиваемая мощность означает более низкую рабочую температуру и для стабилитрона, и для резистора, а также меньшие потери энергии в системе, верно? Более высокое значение сопротивления уменьшает уровни рассеиваемой мощности в схеме, но к сожалению, создает другую проблему. Помните, что цель схемы стабилизатора – обеспечить стабильное напряжение для другой схемы. Другими словами, мы в конечном итоге собираемся запитать что-то напряжением 12,6 вольт, и это что-то будет обладать собственным потреблением тока. Рассмотрим нашу первую схему стабилизатора, на этот раз с нагрузкой 500 Ом, подключенной параллельно стабилитрону, на рисунке ниже.
Стабилизатор напряжения на стабилитроне с последовательно включенным резистором 1 кОм и нагрузкой 500 Ом
Нестабилизатор напряжения на стабилитроне с последовательно включенным резистором 100 кОм и нагрузкой 500 Ом
При большом номинале понижающего резистора на нагрузке 500 Ом будет напряжение около 224 мВ, что намного меньше ожидаемого значения 12,6 вольт! Почему так? Если бы у нас на самом деле было на нагрузке 12,6 вольт, то был бы и ток 25,2 мА, как и раньше. Этот ток нагрузки должен был бы пройти черезе последовательный понижающий резистор, как это было раньше, но с новым (намного большим!) понижающим резистором падение напряжения на этом резисторе с протекающим через него током 25,2 мА составило бы 2 520 вольт! Поскольку у нас, очевидно, нет такого большого напряжения, подаваемого с аккумулятора, то этого не может быть.
Ситуацию легче понять, если мы временно удалим стабилитрон из схемы и проанализируем поведение только двух резисторов на рисунке ниже.
Нестабилизатор с удаленным стабилитроном
Аналитическая методика удаления стабилитрона из схемы и наблюдения наличия или отсутствия достаточного напряжения для его проводимости является обоснованной. Только то, что стабилитрон включен в схему, не гарантирует, что полное напряжение стабилитрона всегда дойдет до него! Помните, что стабилитроны работают, ограничивая напряжение до некоторого максимального уровня; они не могут компенсировать недостаток напряжения.
Таким образом, любая схема стабилизатора на стабилитроне будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки будет равно или больше некоторого минимального значения. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, это приведет к слишком большому току, что приведет к слишком большому напряжению на понижающем резисторе, что оставит на стабилитроне напряжение недостаточное, чтобы заставить его проводить ток. Когда стабилитрон перестает проводить ток, он больше не может регулировать напряжение, и напряжение на нагрузке будет ниже точки регулирования.
Однако, наша схема стабилизатора с понижающим резистором 100 кОм должна подходить для некоторого значения сопротивления нагрузки. Чтобы найти это подходящее значение сопротивления нагрузки, мы можем использовать таблицу для расчета сопротивления в цепи из двух последовательно включенных резисторов (без стабилитрона), введя известные значения общего напряжения и сопротивления понижающего резистора, и рассчитав для ожидаемого на нагрузке напряжения 12,6 вольт:
При 45 вольтах общего напряжения и 12,6 вольтах на нагрузке, мы должны получить 32,4 вольта на понижающем резисторе Rпониж:
При 32,4 вольтах на понижающем резисторе и его сопротивлении 100 кОм ток, протекающий через него, составит 324 мкА:
При последовательном включении ток, протекающий через все компоненты, одинаков:
Расчитать сопротивление нагрузки теперь довольно просто согласно закону Ома (R=U/I), что даст нам 38,889 кОм:
Таким образом, если сопротивление нагрузки составляет точно 38,889 кОм, на нем будет 12,6 вольт и со стабилитроном, и без него. Любое сопротивление нагрузки менее 38,889 кОм приведет к напряжению на нагрузке менее 12,6 вольт и со стабилитроном, и без него. При использовании стабилитрона напряжение на нагрузке будет стабилизироваться до 12,6 вольт для любого сопротивления нагрузки более 38,889 кОм.
При изначальном значении 1 кОм понижающего резистора схема нашего стабилизатора смогла бы адекватно стабилизировать напряжение даже при сопротивлении нагрузки до 500 Ом. То, что мы видим, представляет собой компромисс между рассеиванием мощности и допустимым сопротивлением нагрузки. Более высокое сопротивление понижающего резистора дает нам меньшее рассеивание мощности за счет повышения минимально допустимого значения сопротивления нагрузки. Если мы хотим стабилизировать напряжение для низких значений сопротивления нагрузки, схема должна быть подготовлена для работы с рассеиванием большой мощности.
| 0,5 Вт | ||||||
| 2,4 В | 3,0 В | 3,3 В | 3,6 В | 3,9 В | 4,3 В | 4,7 В |
| 5,1 В | 5,6 В | 6,2 В | 6,8 В | 7,5 В | 8,2 В | 9,1 В |
| 10 В | 11 В | 12 В | 13 В | 15 В | 16 В | 18 В |
| 20 В | 24 В | 27 В | 30 В | |||
| 1,3 Вт | ||||||
| 4,7 В | 5,1 В | 5,6 В | 6,2 В | 6,8 В | 7,5 В | 8,2 В |
| 9,1 В | 10 В | 11 В | 12 В | 13 В | 15 В | 16 В |
| 18 В | 20 В | 22 В | 24 В | 27 В | 30 В | 33 В |
| 36 В | 39 В | 43 В | 47 В | 51 В | 56 В | 62 В |
| 68 В | 75 В | 100 В | 200 В |
Ограничитель напряжения на стабилитронах: схема ограничителя, которая отсекает пики сигнала примерно на уровне напряжения стабилизации стабилитронов. Схема, показанная на рисунке ниже, имеет два стабилитрона, соединенных последовательно, но направленных противоположно друг другу, чтобы симметрично ограничивать сигнал примерно на уровне напряжения стабилизации. Резистор ограничивает потребляемый стабилитронами ток до безопасного значения.
Ограничитель напряжения на стабилитронах
Напряжения пробоя стабилитрона устанавливается на уровень 10 В с помощью параметра bv=10 модели диода в списке соединений spice, приведенном выше. Это заставляет стабилитроны ограничивать напряжение на уровне около 10 В. Встречно включенные стабилитроны ограничивают оба пика. Для положительного полупериода, верхний стабилитрон смещен в обратном направлении, пробивающем стабилитрон при напряжении 10 В. На нижнем стабилитроне падает примерно 0,7 В, так как он смещен в прямом направлении. Таким образом, более точный уровень отсечки составляет 10 + 0,7 = 10,7 В. Аналогично отсечка при отрицательном полупериоде происходит на уровне –10,7 В. Рисунок ниже показывает уровень отсечки немного больше ±10 В.
Диаграмма работы ограничителя напряжения на стабилитронах: входной сигнал v(1) ограничивается до сигнала v(2)
Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
Повторяться не надо. Просто ссылку дайте. Я с удовольствием прочитаю, с каких пор дифкаскад и двухтактный выходной каскад стали несимметричны. Хотя, с Вашим воображением, всё возможно. Усилитель несимметричен по входу, поскольку работает с несимметричными источниками. Но, в нём не сложно сделать полностью симметричный вход. При потребности. Что, без коренных переделок схемы, абсолютно нереально в "идеальном" усилителе "от Василича".
Понял, благодарю, попытаюсь. Увы, осциллограф до 50В, а делитель 1/10. Так что не получится. А без этого никак не разобраться?
А реально что стоит? У резистора и головки очень разные частотные характеристики. Еще сильно влияют свойства С2, если это реальный конденсатор с потерями, индуктивностью, ЕСР. Попробуйте без него с резистором 1 ком и усилением равным 3.
Ну могу ответить на счет кв, эта частота имеет свойство отражаться от атмосферы, поэтому с помощью нее можно передать сигнпл с одно полюса планеты на другой, вопрос только какой именно сигнал вы сможете передать, пи пи пи(морзянка) или же речь(что наврятли ли получится), частота 2,4 проходит атмосферу не видя ее как преграду и соответственно дальше горизонта вы ее не примите, потому как уйдет в космос. Ну это всё демогогия. А по делу есть что добавить? Просто обмен знаниями это хорошо. Но вот результата хочется.
Я тоже этого не понимаю. Но ю-тюб буквально забит роликами где авторы впихивают 18650 в самые разные дроны. Вот я и задумался - может есть в этом какой-то смысл? Может быть всё дело в цене? Два 18650 на 3000 можно купить в передах 500 рублей. А вот призматик аналогичный будет стоить не менее 1500 рублей. Спасибо за подсказку!
когда в детстве собирал на этой мс на трех ее элементах запускается хорошо,на двух надо ставить резистор (вроде 2к) с 1 и 2 ноги на землю
Да лучше, согласен но ценник на него дороже раза в два. А на все свои хотелки трачу стипендию. И если копить на дизель эт получится только через пол года.
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.
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.
Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Описание, технические характеристики и аналоги выпрямительных диодов серии 1N4001-1N4007
Что такое варистор, основные технические параметры, для чего используется
Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317
Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик
Стабилитрон (или диод Зенера) — сильно легированный полупроводниковый диод, который предназначен для работы в обратном направлении. Другими словами, диод, который специально разработан для оптимизации области пробоя, известен как стабилитрон.
Ниже показано графическое обозначение стабилитрона на электрических схемах:
Устройство стабилитрона
Устройство стабилитрона показано на рисунке ниже. Стабилитрон используется в режиме обратного смещения. Обратное смещение означает, что материал n-типа диода подключен к положительной клемме источника питания, а материал p-типа подключен к отрицательной клемме источника питания. Область истощения (обедненная область) диода очень тонкая, потому что он сделан из сильно легированного полупроводникового материала.
Принцип работы стабилитрона
Стабилитрон изготовлен из сильно легированного полупроводникового материала. Сильно легированный означает, что полупроводниковый материал имеет высокое содержание примесей и это повышает его проводимость. Область обеднения стабилитрона очень тонкая из-за примесей. Сильно легирующий материал увеличивает напряженность электрического поля в обедненной области элемента даже при небольшом обратном напряжении.
Когда смещение стабилитрона не применяется, электроны остаются в валентной зоне материала р-типа и ток через диод не протекает. Зона, в которой находятся валентные электроны (крайняя электронная орбита), называется электроном валентной зоны. Электроны валентной зоны легко переходят из одной полосы в другую, когда на нее подается внешняя энергия.
Когда обратное смещение применяется к диоду и напряжение питания равно напряжению стабилитрона, оно начинает проводить в обратном направлении смещения. Напряжение стабилитрона — это напряжение, при котором область обеднения полностью исчезает.
Обратное смещение через диод увеличивает напряженность электрического поля в области истощения. Таким образом, это позволяет электронам перемещаться из валентной зоны материала p-типа в зону проводимости материала n-типа. Эта передача электронов валентной зоны в зону проводимости уменьшает барьер между материалом p и n-типа. Когда область истощения исчезает практически полностью, диод начинает проводить в обратном направлении.
Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Вольт-амперная характеристика стабилитрона (диода Зенера) показана на рисунке ниже. Эта кривая показывает, что стабилитрон, когда подключен напрямую, ведет себя как обычный диод. Но когда на него подается обратное напряжение и обратное напряжение выходит за пределы заданного значения, в диоде происходит пробой и он начинает работать как стабилитрон.
При пробое диода Зенера ток начинает течь в обратном направлении. График пробоя стабилитрона не совсем вертикальный, как показано выше, который показывает, что стабилитрон имеет сопротивление. Напряжение на диоде Зенера представлено уравнением, показанным ниже.
Применение стабилитрона
Диод Зенера в основном используется в коммерческих и промышленных применениях. Ниже приведены основные применения стабилитрона:
В качестве стабилизатора напряжения — стабилитрон используется для регулирования напряжения. Он обеспечивает постоянное напряжение от источника напряжения к нагрузке. Стабилитрон подключается параллельно нагрузке и поддерживает постоянное напряжение UZ и, следовательно, стабилизирует напряжение.
Для защиты измерителя — стабилитрон обычно используется в мультиметрах для защиты измерителя от случайных перегрузок. Измерительный элемент подключен параллельно с диодом Зенера. Когда в цепи происходит перегрузка, большая часть тока проходит через стабилитрон. Таким образом, измерительный элемент защищается от повреждений.
Для формирования сигнала — стабилитрон используется для преобразования синусоидальной волны в прямоугольную. Это можно сделать, подключив два стабилитрона встречно последовательно с сопротивлением.
Когда напряжение, подаваемое на нагрузку, меньше напряжения пробоя стабилитрона, диод Зенера имеет высокое внутреннее сопротивление, что эквивалентно разрыву электрической сети (разомкнутый контакт) и ток протекает только через нагрузку. Когда напряжение становится больше напряжения пробоя стабилитрона, сопротивление стабилитрона резко снижается, что является аналогом короткого замыкания (контакт замкнут) и ток протекает через стабилитрон, а не через нагрузку. Из-за чего происходит сильное падение напряжения в цепи, после падения напряжения в цепи ниже напряжения пробоя стабилитрона, сопротивление диода Зенера восстанавливается и ток перестает протекать через него. Таким образом, осуществляется защита чувствительных элементов электрической цепи от перенапряжения.
Читайте также: