Полупроводниковый диод в электронике может выполнять множество функций — выпрямление, детектирование и суммирование сигналов, развязку электрических цепей и т.п. Но есть одна задача диода, которая стоит особняком – стабилизация напряжения, причем работает полупроводниковый прибор при этом в режиме обратного смещения. Лучше всего с такой задачей справляется такая разновидность диода, как стабилитрон (диод Зенера или, иногда, просто зенер).
Внешний вид и суть стабилитрона
Внешне диод Зенера не отличается от обычного диода — металлический или стеклянный корпус с двумя выводами. Его устройство также не отличается от устройства любого диода – один p-n переход, заключенный в оболочку. Электрические параметры этого полупроводникового прибора также не имеют выходящих из стандарта значений.
Некоторые SMD-стабилитроны имеют три вывода, но один из них либо не используется, либо параллелен другому выводу.
Главной отличительной особенностью стабилитрона является нормированность некоторых характеристик, главные из которых – напряжение, при котором происходит лавинный пробой (Uстаб) и дифференциальное сопротивление.
Иными словами, на месте диода Зенера может работать любой диод. Но в коробке с тысячей экземпляров полупроводниковых приборов может не оказаться ни одного с нужным напряжением стабилизации, а если и удастся подобрать нужный экземпляр, то не факт, что его стабилизирующие свойства окажутся хотя бы удовлетворительными.
Как работает стабилитрон, сравнение с другими регуляторами напряжения
Чтобы разобраться в принципе работы стабилитрона, надо рассмотреть его вольт-амперную характеристику (и она не отличается от ВАХ обычных диодов). При приложении прямого напряжения поведение кремниевого диода Зенера особенностей не имеет. Он откроется примерно при 0,6 вольтах и дальше ток будет расти с ростом напряжения.
Если приложить к выводам стабилитрона напряжение в обратном направлении, при определенном значении произойдет лавинный пробой (он носит обратимый характер). Ветвь ВАХ расположена довольно круто к оси абсцисс. Это значит, что при больших изменениях тока ΔI напряжение на стабилитроне будет меняться мало (ΔU). Это и есть стабилизация. Отношение ΔU/ΔI (котангенс угла наклона обратной ветви АЧХ) называется дифференциальным (или динамическим) сопротивлением, и оно характеризует стабилизирующие свойства прибора. Чем оно меньше, тем меньше изменение напряжения при изменении тока. В идеале угол наклона АЧХ равен 90 градусов и динамическое сопротивление равно нулю.
При дальнейшем повышении напряжения p-n переход может перейти в зону теплового (необратимого) пробоя и выйдет из строя.
Менее распространены, но занимают свою нишу стабисторы. Эти полупроводниковые приборы служат стабилизаторами напряжения при уровнях до 2 вольт и работают они на прямой ветви ВАХ.
Раньше, когда полупроводниковые приборы были не так доступны, в качестве источников образцового напряжения применялись стабиловольты – газоразрядные приборы. Их принцип действия основан на свойствах тлеющего разряда. теперь эти устройства практически вышли из употребления.
Классификация
Принципиально различных разновидностей стабилитрона всего два:
- Обычный.
- Двуханодный.
Второй тип полупроводникового прибора аналогичен двум обычным диода Зенера, включенным навстречу друг другу. При необходимости, такой стабилитрон и может быть заменен на два с соответствующим Uстаб.
В остальном классификация диодов Зенера носит только количественный характер:
- силовые стабилитроны (с повышенным током стабилизации);
- прецизионные (с меньшим разбросом по Uстаб);
- термокомпенсированные (с уменьшенной зависимостью параметров от температуры).
Также стабилитроны различаются по типу корпуса и массогабаритным показателям (обычно, чем мощнее прибор, тем он крупнее и массивнее).
Обозначение стабилитрона на схемах и чертежах
Условно-графическое обозначение стабилитрона похоже на УГО диода с небольшим добавлением (штрихом) со стороны катода. Двуханодный стабилитрон обозначается, как два встречно подключенных диода Зенера (без вывода катода).
Что важно учесть при выборе
Главным критерием выбора диода Зенера является, конечно, напряжение стабилизации. Если нет подходящего по этому параметру стабилитрона, остальные характеристики можно не рассматривать. Но если нужные приборы в наличии, надо выбирать стабилитрон по остальным критериям:
- наибольший допустимый ток – в основном, от стабилитронов большая мощность не требуется, за исключением параметрических стабилизаторов (без элементов умощнения);
- дифференциальное сопротивление – чем меньше, тем лучше.
Остальные параметры – температурную стабильность, коэффициент шума, массогабаритные показатели, тип корпуса и т.п. – можно выяснить в даташитах и справочниках.
Как определить вольтаж
У многих стабилитронов Uстаб «зашито» в его маркировку. Например:
- стабилитрон КС156 имеет напряжение стабилизации 5,6 вольт;
- КС133 – 3,3 вольта;
- BZV55-C4V3 – 4,3 вольта;
- BZX55-C2V7 – 2,7 вольта.
Проблема состоит в том, что далеко не все полупроводниковые приборы маркируются столь удобным способом. Например, обозначение Д814А не содержит в явном виде напряжения стабилизации (но по справочнику можно понять, что его напряжение составляет от 10 до 12 вольт). К тому же маркировка не всегда наносится на корпус в буквенно-цифровом виде (а иногда просто стирается). Часто маломощные стабилитроны обозначают цветовым кодом или кодом из двух-трех символов.
Но иногда производители ухитряются нанести напряжение стабилизации даже на малогабаритный стеклянный корпус.
Поэтому в некоторых случаях требуется узнать фактическое Uстаб стабилитрона. Для этого надо собрать несложную схему.
Для этого понадобятся:
- регулируемый источник напряжения (БП) с диапазоном, заведомо превышающим предполагаемое напряжение стабилитрона;
- вольтметр (например, в составе мультиметра);
- балластный резистор 0,5..3 кОм.
После сборки схемы регулятор напряжение источника питания надо поставить на минимум (по возможности на ноль) и включить источник. Плавно поднимая выходной уровень БП, надо контролировать напряжение на стабилитроне. Сначала оно будет расти вслед за увеличением выходного уровня источника питания. В определенный момент оно перестанет увеличиваться, несмотря на повышение напряжения на выходных клеммах БП. Это и будет искомое Uстаб.
Чтобы проверить стабилитрон на исправность, достаточно мультиметра. Диод Зенера прозванивается в обе стороны, подобно обычному диоду.
Правила и примеры включения в электрической цепи
Первое, что надо помнить при работе со стабилитроном – он всегда включается в обратной полярности по сравнению с обычным диодом. Ничего страшного не случится, если его включить и в прямой полярности, но и работать он тогда будет, как обычный диод. Последовательно со стабилитроном включают балласт (обычно резистор), чтобы излишек напряжения упал на нем.
Базовая схема включения представляет собой параметрический стабилизатор – последовательно включенные диод Зенера и балластный резистор. Параллельно полупроводниковому прибору можно подключить нагрузку, и уровень на ней будет оставаться стабильным при изменении потребляемого тока (в определенных пределах). Эта схема называется последовательным (или параметрическим) стабилизатором.
Для повышения напряжения стабилизации стабилитроны можно включать последовательно. Общее напряжение при этом суммируется. Так, при последовательном включении двух диодов Зенера напряжением по 5 вольт каждый, общее напряжение стабилизации получается равным 10 вольт.
Но нельзя включать стабилитроны параллельно («для повышения мощности»). Из-за неизбежного разброса параметров, у одного прибора Uстаб будет выше, чем у другого. И прибор с большим уровнем «утянет» второй прибор в зону теплового пробоя, что приведет к его выходу из строя.
Чтобы повысить рабочий ток схемы стабилизации, к базовой схеме добавляется мощный транзистор. Стабилитрон задает постоянное напряжение на его базе.
При изменении тока транзистор приоткрывается или слегка закрывается, стабилизируя напряжение на нагрузке. Такая схема называется последовательным стабилизатором (транзистор включен последовательно с нагрузкой).
Стабилитроны используются не только в качестве источников образцового напряжения. Иное применение – защита от несанкционированного повышения напряжения на нагрузке (барьер Зенера). В других схемах используется вредное, в целом, явление – стабилитрон генерирует шум при работе в обратносмещенном режиме. Обычно этот эффект купируют, для чего включают параллельно с диодом Зенера конденсатор. Но для некоторых целей это свойство стабилитрона используют для создания генераторов шума. В общем, применение этому распространенному и недорогому полупроводниковому прибору найдется всегда, и замены ему пока не видно.
