Стабилитрон принцип работы

Стабилитрон (диод Зенера) — разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещении в режиме пробоя. До момента наступления пробоя через стабилитрон текут совсем незначительные токи утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а его дифференциальное сопротивление снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с неплохой точностью в большом диапазоне обратных токов.

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.

Историческая справка: Стабилитроны были открыты в начале 50 годов прошлого века, а уже в конце 50-х их стали активно использовать в радиоэлектронной промышленности. Хотя первую модель электрического пробоя озвучил еще в 1933 году Кларенс Зенер, по принципу которого и работает этот полупроводниковый прибор

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

Главная функция стабилитронов это стабилизация выходного напряжения. Электронная промышленность выпускает их на номинальные напряжения от 1,8 В до 400 В. 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 стабилитрон работает 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 (Iобр). Входное U его может изменяться, а на стабилитроне будет изменяться только обратный ток, а напряжение и на нагрузке останется постоянным, то есть стабильным. 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 Uст - напряжение стабилизации и Iст (ток стабилизации). Эти данные можно узнать в справочниках по электронике.


Что такое стабилитрон

Когда обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, увеличивается, оно достигает уровня пробоя, при котором ток Зенера увеличивается до достаточно больших значений. В режиме пробоя дальнейшее увеличение обратного напряжения на стабилитроне не будет, только увеличивается ток. Таким образом, постоянное U, сохраняется на стабилитроне при изменении питающего напряжения. Поэтому он работает, по принципу регулятора.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона получена с помощью откладывания Uобр оси X и обратного тока вдоль оси Y. Когда Uобр достигает некоторого значения, Iобр 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.

Характеристики стабилитрона

Напряжение стабилизации, это среднее значение между минимальным и максимальным уровнем Uстабилизации. В справочниках по стабилитронам приводится как главный параметр. Иногда указываться погрешность этого параметра, а также минимальный и максимальный уровень.
Минимальный ток стабилизации стабилитрона это токовое значение, при котором происходит обратимый лавинный пробой p-n перехода. Это значение соответствует минимальному Uстабилизации
Максимально допустимый ток стабилизации значение обратного тока, при котором p-n переход может быть подвержен обратимому пробою, без разрушения p-n перехода.
Максимально допустимый прямой ток стабилитрона - значение прямого тока, которое длительное время способен выдержать p-n переход без термического разрушения.
Дифференциальное напряжение стабилитрона rст

На рисунке ниже приведены для примера дифференциальные характеристики различных стабилитронов.

дифференциальные характеристики различных стабилитронов
а - зависимость дифференциального сопротивления от прямого тока
б - зависимость изменения напряжения стабилизации от температуры
в - зависимость дифференциального сопротивления от прямого тока

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.

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.

Стабилизатор по классической схеме

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.


Стабилитрон в электронике и практике
Как проверить стабилитрон

Для многих радиолюбительских самоделок необходимы стабилизированные источники питания. Основным их элементом является стабилитрон, который способен обеспечить постоянное выходное напряжение. Итак, проверить стабилитрон и его работоспособность и функционирование этого радиоэлемента можно несколькими простыми способами.

Аналог стабилитрона на транзисторах
Схема аналога 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.