Стабилитрон - это что такое и для чего он нужен? Принцип работы и маркировка стабилитронов Параллельное соединение стабилитронов напряжения

Стабилитрон - это полупроводниковый диод с уникальными свойствами. Если обычный полупроводник при обратном включении является изолятором, то он выполняет эту функцию до определенного роста величины приложенного напряжения, после чего происходит лавинообразный обратимый пробой. При дальнейшем увеличении протекающего через стабилитрон обратного тока напряжение продолжает оставаться постоянным за счет пропорционального уменьшения сопротивления. Таким путем удается добиться режима стабилизации.

В закрытом состоянии через стабилитрон сначала проходит небольшой ток утечки. Элемент ведет себя как резистор, величина сопротивления которого велика. При пробое сопротивление стабилитрона становится незначительным. Если дальше продолжать повышать напряжение на входе, элемент начинает греться и при превышении током допустимой величины происходит необратимый тепловой пробой. Если дело не доводить до него, при изменении напряжения от нуля до верхнего предела рабочей области свойства стабилитрона сохраняются.

Когда напрямую включается стабилитрон, характеристики не отличаются от диода. При подключении плюса к p-области, а минуса - к n-области сопротивление перехода мало и ток через него свободно протекает. Он нарастает с увеличением входного напряжения.

Стабилитрон - это особый диод, подключаемый большей частью в обратном направлении. Элемент сначала находится в закрытом состоянии. При возникновении электрического пробоя стабилитрон напряжения поддерживает его постоянным в большом диапазоне тока.

На анод подается минус, а на катод - плюс. За пределами стабилизации (ниже точки 2) происходит перегрев и повышается вероятность выхода элемента из строя.

Характеристики

Параметры стабилитронов следующие:

U ст - напряжение стабилизации при номинальном токе I ст;
I ст min - минимальный ток начала электрического пробоя;
I ст max - максимальный допустимый ток;
ТКН - температурный коэффициент.

В отличие от обычного диода, стабилитрон - это полупроводниковое устройство, у которого на вольт-амперной характеристике области электрического и теплового пробоя достаточно далеко расположены друг от друга.

С максимально допустимым током связан параметр, часто указываемый в таблицах - мощность рассеивания:

P max = I ст max ∙ U ст.

Зависимость работы стабилитрона от температуры может быть как с положительным ТКН, так и отрицательным. При последовательном подключении элементов с разными по знакам коэффициентами создаются прецизионные стабилитроны, не зависящие от нагрева или охлаждения.

Схемы включения

Типовая схема простого стабилизатора, состоит из балластного сопротивления R б и стабилитрона, шунтирующего нагрузку.

В некоторых случаях происходит нарушение стабилизации.

Подача на стабилизатор большого напряжения от источника питания при наличии на выходе фильтрующего конденсатора. Броски тока при его зарядке могут вызвать выход из строя стабилитрона или разрушение резистора R б.
Отключение нагрузки. При подаче на вход максимального напряжения ток стабилитрона может превысить допустимый, что приведет к его разогреву и разрушению. Здесь важно соблюдать паспортную область безопасной работы.
Сопротивление R б подбирается небольшим, чтобы при минимально возможной величине напряжения питания и максимально допустимом токе на нагрузке стабилитрон находился в рабочей зоне регулирования.

Для защиты стабилизатора применяются тиристорные схемы защиты или

Резистор R б рассчитывается по формуле:

R б = (U пит - U ном)(I ст + I н).

Ток стабилитрона I ст выбирается между допустимыми максимальным и минимальным значениями, в зависимости от напряжения на входе U пит и тока нагрузки I н.

Выбор стабилитронов

Элементы имеют большой разброс по напряжению стабилизации. Чтобы получить точное значение U н, стабилитроны подбираются из одной партии. Есть типы с более узким диапазоном параметров. При большой мощности рассеивания элементы устанавливают на радиаторы.

Для расчета параметров стабилитрона необходимы исходные данные, например, такие:

U пит = 12-15 В - напряжение входа;
U ст = 9 В - стабилизированное напряжение;

Параметры характерны для устройств с небольшим потреблением энергии.

Для минимального входного напряжения 12 В ток на нагрузке выбирается по максимуму - 100 мА. По закону Ома можно найти суммарную нагрузку цепи:

R ∑ = 12 В / 0,1 А = 120 Ом.

На стабилитроне падение напряжения составляет 9 В. Для тока 0,1 А эквивалентная нагрузка составит:

R экв = 9 В / 0,1 А = 90 Ом.

Теперь можно определить сопротивление балласта:

R б = 120 Ом - 90 Ом = 30 Ом.

Оно выбирается из стандартного ряда, где значение совпадает с расчетным.

Максимальный ток через стабилитрон определяется с учетом отключения нагрузки, чтобы он не вышел из строя в случае, если какой-либо провод отпаяется. Падение напряжения на резисторе составит:

U R = 15 - 9 = 6 В.

Затем определяется ток через резистор:

I R = 6/30 = 0,2 А.

Поскольку стабилитрон подключен к нему последовательно, I c = I R = 0,2 А.

Мощность рассеивания составит P = 0,2∙9 = 1,8 Вт.

По полученным параметрам подбирается подходящий стабилитрон Д815В.

Симметричный стабилитрон

Симметричный диодный тиристор представляет собой переключающий прибор, проводящий переменный ток. Особенностью его работы является падение напряжения до нескольких вольт при включении в диапазоне 30-50 В. Его можно заменить двумя встречно включенными обычными стабилитронами. Устройства применяют в качестве переключающих элементов.

Аналог стабилитрона

Когда не удается подобрать подходящий элемент, используют аналог стабилитрона на транзисторах. Их преимуществом является возможность регулирования напряжения. Для этого можно применять усилители постоянного тока с несколькими ступенями.

На входе устанавливают делитель напряжения с R1. Если входное напряжение возрастает, на базе транзистора VT1 оно также увеличивается. При этом растет ток через транзистор VT2, который компенсирует увеличение напряжения, поддерживая тем самым его стабильным на выходе.

Маркировка стабилитронов

Выпускаются стеклянные стабилитроны и стабилитроны в пластиковых корпусах. В первом случае на них наносятся 2 цифры, между которыми располагается буква V. Надпись 9V1 обозначает, что U ст = 9,1 В.

На пластиковом корпусе надписи расшифровываются с помощью даташита, где также можно узнать другие параметры.

Темным кольцом на корпусе обозначается катод, к которому подключается плюс.

Заключение

Стабилитрон - это диод с особыми свойствами. Достоинством стабилитронов является высокий уровень стабилизации напряжения при широком диапазоне изменения рабочего тока, а также простые схемы подключения. Для стабилизации малого напряжения приборы включают в прямом направлении, и они начинают работать как обычные диоды.

Много-много лет тому назад такого слова как стабилитрон не существовало вообще. Тем более в бытовой аппаратуре.

Попробуем представить себе громоздкий ламповый приёмник середины двадцатого века. Многие приносили их в жертву собственному любопытству, когда папа с мамой приобретали что-нибудь новое, а «Рекорд» или «Неман» отдавали на растерзание .

Блок питания лампового приёмника был предельно прост: мощный кубик силового трансформатора , который обыкновенно имел всего две вторичных обмотки, диодный мостик или селеновый выпрямитель, два электролитических конденсатора и резистор на два ватта между ними.

Первая обмотка питала накал всех ламп приёмника переменным током и напряжением 6,3V (вольт), а на примитивный выпрямитель приходило порядка 240V для питания анодов ламп. Ни о какой стабилизации напряжения и речи не шло. Исходя из того, что приём радиостанций вёлся на длинных, средних и коротких волнах с очень узкой полосой и ужасным качеством, наличие или отсутствие стабилизации напряжения питания на это качество совершенно не влияло, а приличной автоподстройки частоты на той элементной базе просто быть не могло.

Стабилизаторы в то время применялись только в военных приёмниках и передатчиках, конечно тоже ламповые. Например: СГ1П – стабилизатор газоразрядный, пальчиковый. Так продолжалось до тех пор, пока не появились транзисторы. И тут выяснилось, что схемы, выполненные на транзисторах очень чувствительны к колебаниям питающего напряжения, и обыкновенным простым выпрямителем уже не обойтись. Используя физический принцип, заложенный в газоразрядных приборах, был создан полупроводниковый стабилитрон реже называемый диод Зенера.

Графическое изображение стабилитрона на принципиальных схемах.

Внешний вид стабилитронов. Первый сверху в корпусе для поверхностного монтажа . Второй сверху – в стеклянном корпусе DO-35 и мощностью 0,5 Вт. Третий, – мощностью 1 Вт (DO-41). Естественно, стабилитроны изготавливают в разнообразных корпусах. Иногда в одном корпусе объединяется два элемента.

Принцип работы стабилитрона.

Прежде всего, не следует забывать, что стабилитрон работает только в цепях постоянного тока. Напряжение на него подают в обратной полярности, то есть на анод стабилитрона будет подан минус "-". При таком включении через него протекает обратный ток (I обр ) от выпрямителя. Напряжение с выхода выпрямителя может изменяться, будет изменяться и обратный ток, а напряжение на стабилитроне и на нагрузке останется неизменным, то есть стабильным. На следующем рисунке показана вольт-амперная характеристика стабилитрона.

Стабилитрон работает на обратной ветви ВАХ (Вольт-Амперной Характеристики), как показано на рисунке. К его основным параметрам относятся U ст . (напряжение стабилизации) и I ст . (ток стабилизации). Эти данные указаны в паспорте на конкретный тип стабилитрона. Причём величина максимального и минимального тока учитывается только при расчёте стабилизаторов с прогнозируемым большим изменением напряжения.

Основные параметры стабилитронов.

Для того чтобы подобрать нужный стабилитрон необходимо разбираться в маркировках полупроводниковых приборов. Раньше все типы диодов, включая и стабилитроны, обозначались буквой “Д” и цифрой определяющей, что же это за прибор. Вот пример очень популярного стабилитрона Д814 (А, Б, В, Г). Буква показывала напряжение стабилизации.

Рядом паспортные данные современного стабилитрона (2C147A ), который использовался в стабилизаторах для питания схем на популярных сериях микросхем К155 и К133 выполненных по ТТЛ технологии и имеющих напряжение питания 5V.

Чтобы разбираться в маркировках и основных параметрах современных отечественных полупроводниковых приборов необходимо немного знать условные обозначения. Они выглядят следующим образом: цифра 1 или буква Г – германий, цифра 2 или буква К – кремний, цифра 3 или буква А – арсенид галлия. Это первый знак. Д – диод, Т – транзистор, С – стабилитрон, Л – светодиод. Это второй знак. Третий знак это группа цифр обозначающих сферу применения прибора. Отсюда: ГТ 313 (1Т 313) – высокочастотный германиевый транзистор, 2С147 – кремниевый стабилитрон с номинальным напряжением стабилизации 4,7 вольта, АЛ307 – арсенид-галлиевый светодиод.

Вот схема простого, но надёжного стабилизатора напряжения.

Между коллектором мощного транзистора и корпусом подается напряжение с выпрямителя и равное 12 – 15 вольт. С эмиттера транзистора мы снимаем 9V стабилизированного напряжения, так как в качестве стабилитрона VD1 мы используем надёжный элемент Д814Б (см. таблицу). Резистор R1 – 1кОм, транзистор КТ819 обеспечивающий ток до 10 ампер.

Транзистор необходимо разместить на радиаторе-теплоотводе. Единственный недостаток данной схемы – это невозможность регулировки выходного напряжения. В более сложных схемах подстроечный резистор, конечно, имеется. Во всех лабораторных и домашних радиолюбительских источниках питания есть возможность регулировки выходного напряжения от 0 и до 20 – 25 вольт.

Интегральные стабилизаторы.

Развитие интегральной микроэлектроники и появление многофункциональных схем средней и большой степени интеграции, конечно, коснулось и проблем связанных со стабилизацией напряжения. Отечественная промышленность напряглась и выпустила на рынок радиоэлектронных компонентов серию К142, которую составляли как раз интегральные стабилизаторы. Полное название изделия было КР142ЕН5А, но так как корпус был маленький и название не убиралось целиком, стали писать КРЕН5А или Б, а в разговоре они назывались просто «кренки».

Сама серия была достаточно большая. В зависимости от буквы варьировалось выходное напряжение. Например, КРЕН3 выдавал от 3 до 30 вольт с возможностью регулировки, а КРЕН15 был пятнадцативольтовым двухполярным источником питания.

Подключение интегральных стабилизаторов серии К142 было крайне простым. Два сглаживающих конденсатора и сам стабилизатор. Взгляните на схему.

Если есть необходимость получить другое стабилизированное напряжение, то поступают следующим образом: допустим, мы используем микросхему КРЕН5А на 5V, а нам нужно другое напряжение. Тогда между вторым выводом и корпусом ставится стабилитрон с таким расчётом, чтобы сложив напряжение стабилизации микросхемы, и стабилитрона мы получили бы нужное напряжение. Если мы добавим стабилитрон КС191 на V = 9,1 + 5V микросхемы, то на выходе мы получим 14.1 вольт.

Стабилитрон - специальный диод, который способен работать в условиях обратного смещения в зоне пробоя без какого-либо ущерба для себя.

Принцип действия стабилитрона

График напряжение-ток для стабилитрона похож на график напряжение-ток для P-N перехода обычного диода.

Когда стабилитрон имеет прямое смещение, то, также, как и в любом обычном диоде, ток, проходящий через него, возрастает при увеличении подаваемого напряжения. Когда же стабилитрон имеет обратное смещение, то ток бывает минимальным до того момента, пока подаваемое напряжение не достигнет значения напряжения пробоя для данного диода. Когда такое напряжение достигается, то происходит значительное увеличение протекающего тока. Однако, в отличие от обычного диода, стабилитрон предназначен для работы в условиях обратного смещения в зоне пробоя.

Напряжение стабилитрона

Необходимое напряжение стабилитрона - это то напряжение, при котором происходит пробой. В процессе изготовления стабилитрона, к основным исходным материалам добавляют определенное количество других материалов, присадок, так что во время работы данного прибора пробой происходит при совершенно конкретном значении напряжения.

Если подаваемое на стабилитрон напряжение превышает установленное для него напряжение пробоя на достаточно большую величину, то тепло, которое сопровождает прохождение через стабилитрон чрезмерного тока, может вызывать серьезные повреждения. Для того, чтобы предотвратить подобные неприятности, цепи со стабилитроном обычно имеют установленный последовательно резистор, который должен ограничивать величину тока, протекающего через стабилитрон. Если выбрано правильное значение сопротивления, то ток в цепи не будет превышать максимальное значение тока для стабилитрона.

Если же подаваемое напряжение меньше, того, на которое рассчитан стабилитрон, то сопротивление протеканию тока будет значительным и этот диод будет оставаться в основном в разомкнутом состоянии, однако, когда подаваемое напряжение станет равно или превысит расчетное напряжение стабилитрона, то сопротивление тока окажется преодоленным, и ток потечет через стабилитрон и по цепи.

При различных значениях напряжения выше напряжения стабилитрона, изменение внутреннего сопротивления возникает в результате изменений обедненной области прибора. В результате этого падение напряжения на стабилитроне будет относительно постоянным. Падение напряжения должно поддерживаться на уровне, близком к значению напряжения стабилитрона. Остальное напряжение источника электропитания понижается на последовательно подключенном резисторе.

Поскольку напряжение на стабилитроне значительно превышает напряжения стабилитрона, то цепь, которую мы только что описали, может быть использована для обеспечения подачи регулируемого напряжения на нагрузку. Если нагрузка включена параллельно со стабилитроном, то падение напряжение на нагрузке будет равно падению напряжения на стабилитроне.

Cтабилитрон используется для стабилизации напряжения (например, в ).

Обозначение стабилитрона

Включение стабилитрона

(его ещё называют диодом Зенера ) включается как показано на рисунке. Включение стабилитрона на первый взгляд нелогично. Стабилитроны включаются как бы "наоборот" по сравнению с диодами. При подаче на них обратного напряжения происходит "пробой" и напряжение между их выводами остаётся неизменным. Последовательно обязательно должен быть включён резистор для ограничения проходящего тока через стабилитрон (он называется током стабилизации) и обеспечения падения "лишнего" напряжения от выпрямителя.

Каждый стабилитрон имеет своё напряжение пробоя (стабилизации) и свой рабочий ток. Исходя из этого тока рассчитывается номинал резистора , включённого последовательно со стабилитроном. На импортных стабилитронах напряжение стабилизации напечатано на корпусе стабилитрона. Обозначение диодов - стабилитронов начинается с BZX... или BZY... Их напряжение стабилизации (пробоя) напечатано с буквой V вместо десятичной запятой. Таким образом, 3V9 означает 3.9 вольта.

Минимальное напряжение стабилизации, на которое существуют стабилитроны, 2 В.

Последовательное соединение стабилитронов

Последовательное соединение стабилитронов делают в тех случаях, когда надо получить стабилизированное напряжение, на которое не существует стабилитронов (или нет в наличии). Как правило в высоковольтных стабилизаторах напряжения устанавливают несколько последовательно соединённых стабилитронов. Общее напряжение стабилизации будет равно сумме напряжений стабилизации каждого стабилитрона. Желательно соединять последовательно только однотипные стабилитроны на одинаковое напряжение стабилизации.

Само название этого прибора “стабилитрон” созвучно слову стабильность или постоянство чего - либо или в чем - либо. В жизни человека очень важна стабильность, стабильность в зарплате, цены в магазине и прочее. В электронике стабильность напряжения питания очень важный, основной параметр, который при настройке или ремонте электронного оборудования проверяют в первую очередь. Напряжение в электрической сети может меняться в зависимости от общей нагрузки, качества электроснабжающих сетей, и еще многих других факторов, но напряжение питания электронных устройств, при этом, должно оставаться неизменным с определенной заданной величиной.

И так, что же такое стабилитрон.

Википедия, тебе даст такое определение:

"Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — это полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки..."

Все правильно, но слишком заумно.

Я попробую сказать проще

Стабилитрон - это такой полупроводниковый прибор, который стабилизирует напряжение.

Считаю, что на первых порах этого определения достаточно, (а как он стабилизирует напряжение, я расскажу ниже)

Принцип работы стабилитрона

Уважаемый читатель на этом рисунке изображен принцип работы стабилитрона.

Представь, что в некую емкость заливают воду, уровень воды в емкости, должен быть строго определенным, для того чтобы емкость не переполнилась в ней сделана переливная труба по которой вода превышающая заданный уровень будет выливаться из емкости.

Теперь от “сантехники” перейдем к электронике.

Обозначение стабилитрона на принципиальной схеме такое - же, как и у диода, отличие “черточка” катода изображается как буква Г.

Обозначение стабилитрона на схеме

Стабилитрон работает только в цепи постоянного тока , и пропускает напряжение в прямом направлении анод - катод так же - как и диод . В отличи от диода у стабилитрона есть одна особенность, если подать ток в обратном направлении катод - анод, ток через стабилитрон течь не будет, но ток в обратном направлении не будет течь только до тех пор, пока напряжение не превысит заданное значение.

Что является заданным значением напряжения для стабилитрона?

Стабилитрон имеет свои параметры - это напряжение стабилизации и ток. Параметр напряжение - указывает при какой величине напряжения стабилитрон будет пропускать ток в обратном направлении, параметром ток - задана сила тока, при которой стабилитрон может работать не повреждаясь.

Стабилитроны изготавливают для стабилизации напряжения различной величины, например, стабилитрон с обозначением V6.8 будет стабилизировать напряжение в пределах 6.8 Вольта.

Таблица рабочих параметров стабилитронов.

В таблице указаны основные параметры - это напряжение стабилизации и ток стабилизации. Есть и другие параметры, но они тебе пока не нужны. Главное понять суть работы стабилитрона и научиться выбирать нужный тебе для твоих схем и для ремонта радиоэлектроники .

Рассмотрим принципиальную схему объясняющую принцип работы стабилитрона.

Возьмем стабилитрон параметром - напряжение стабилизации 12Вольт. Для того чтобы через стабилитрон начал поступать ток в обратном направлении от катода к аноду, входное напряжение должно быть выше напряжения стабилизации стабилитрона (с запасом). Например - если стабилитрон рассчитан на напряжение стабилизации 12Вольт входное напряжение должно быть не меньше 15Вольт. Балластный резистор Rб ограничивает ток который будет проходить через стабилитрон до номинального. Как видишь, при напряжении, превышающем ток стабилизации стабилитрона, оный начинает сбрасывать лишнее напряжение через себя на минус. Иными словами, стабилитрон, выполняет роль переливной трубы, чем больше напор воды или величина электрического тока, тем сильнее открывается стабилитрон и наоборот при уменьшении напряжения, стабилитрон начинает закрываться, уменьшая прохождения тока через себя.

Эти изменения могут происходить как плавно, так и с огромной скоростью в малых интервалах времени, что позволяет добиться высокого коэффициента стабилизации напряжения.

Если напряжение на входе стабилизатора будет меньше 12Вольт, стабилитрон “закроется” и напряжение на выходе стабилизатора будет “плавать” так - же, как и на входе, при этом никакой стабильности напряжения не будет. Вот почему напряжение входное должно быть больше чем необходимое выходное (с запасом). Приведенная схема называется параметрический стабилизатор. Кто хочет полный расклад по расчету параметрического стабилизатора, пусть посетит ГУГЛ, нам начинающим для первого раза вполне достаточно, не будем заморачивать себя формулами.

Теперь перейдем к лабам (лабораторным работам:).

Перед тобой макет параметрического стабилизатора, на входе и выходе макета имеются вольтметры. Сейчас вольтметр на ВХОДЕ стабилизатора показывает 6 вольт на ВЫХОДЕ стабилизатора практически такое же напряжение. Так как я уже говорил, стабилитрон макета имеет напряжение стабилизации 8и2 вольта, напряжение в 6 Вольт на ВХОДЕ стабилизатора, не превышает напряжение стабилизации стабилитрона, поэтому стабилитрон закрыт.

Теперь я повышаю напряжение на входе стабилизатора до 15 Вольт, напряжение на входе стабилизатора превысило напряжение стабилизации стабилитроне и на выходе стабилизатора достигло заданного напряжения стабилизации 8.2 Вольта таким оно и остается, практически неизменным, даже при резких бросках напряжения, стабилитрон отрабатывает мгновенно, поддерживая стабильность напряжения. Повторяюсь еще раз - “Для того чтобы параметрический стабилизатор работал правильно на входе всегда должно быть напряжение, превышающее напряжение стабилизации стабилитрона т. е. с запасом примерно 15-25%”

Так как ток стабилизации такого параметрического стабилизатора слишком мал, параметрический стабилизатор обычно применяют в блоках питания как стабилизирующий элемент схемы, где кроме самого стабилизатора присутствуют элементы регулировки напряжения, мощные транзисторы.

Пример - схема регулируемого стабилизатора (блока питания).

В современной электронике, параметрические стабилизаторы применяют все реже, в основном используя специальные микросхемы, которые представляют из себя довольно мощные стабилизаторы с очень хорошим коэффициентом стабилизации, они компактны и легко применимы.

Но о них мы поговорим в следующий раз. Тем не менее, параметрические стабилизаторы можно встретить во многих различных электронных схемах, поэтому знать их и понимать элементарно принцип работы нужно.

Как проверить стабилитрон

Для проверки стабилитрона, нужно знать как пользоваться мультиметром и воспользоваться методикой проверки полупроводникового диода , если есть возможность можно собрать схему параметрического стабилизатора и проверить стабилитрон в работе, как описано в этой статье. Если у тебя имеется стабилитрон и ты не знаешь его параметры (стерлась надпись на корпусе стаба), собрав схемку параметрического стабилизатора можно определить на какое напряжение стабилизации работает этот неопознанный стаб.