Что такое стабилитрон
Стабилитрон - это специальный полупроводниковый диод, работающий в режиме пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения. В зарубежной литературе стабилитрон называют диодом Зенера (Zener diode), по имени Кларенса Зенера, который открыл один из механизмов электрического пробоя. Вообще существует тунельный, лавинный и тепловой пробои. На первых двух стабилитроны работают, а от последнего они выходят из строя. Но о пробоях мы рассуждать не будем, нам нужно понять, что такое стабилитрон, каков принцип его работы и как его можно использовать.
Обозначение стабилитрона
На электрических схемах стабилитрон обозначается символом диода с небольшой закорючкой у катода и буквенным обозначением VD.
Также существуют другие варианты обозначений стабилитрона, которые используются на зарубежных схемах.
Как видно из рисунка, у стабилитрона два вывода - это катод и анод. Следовательно, есть всего два варианта его включения:
- включение в прямом направлении, когда анод подключается к плюсу питания, а катод к минусу,
- включение в обратном направлении, когда анод подключается к минусу питания, а катод к плюсу.
В прямом включении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а вот в обратном включении в стабилитроне возникает тот самый пробой. Чтобы понять, что при этом происходит, давайте посмотрим на вольтамперную характеристику стабилитрона.
Как работает стабилитрон
Правая часть графика - характеристика стабилитрона, к которому приложено напряжение в прямом направлении. Левая часть графика - характеристика стабилитрона, к которому приложено обратное напряжение. Похожа на характеристику диода, но пробой (участок, где загибается график) у стабилитрона наступает гораздо раньше диода. Нас интересует левая часть графика.
Вот мы подключили стабилитрон к источнику питания в обратном направлении и начинаем медленно повышать напряжение. Пока приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, оно растет, через стабилитрон течет незначительный ток утечки Io (микроамперы, а то и меньше), пробоя нет. На этом участке стабилитрон ведет себя как резистор с очень большим сопротивлением.
В какой-то момент ток начнет возрастать, а напряжение замедлит свой рост - это значит что возникает начальная стадия пробоя стабилитрона. Его сопротивление падает, что можно наблюдать по "загибанию" вольтамперной характеристики.
При дальнейшем повышении напряжения источника питания, ток через стабилитрон будет увеличиваться значительно, а напряжение нет. Стабилитрон ведет себя как резистор с маленьким сопротивлением. Это рабочий участок характеристики, где напряжение на стабилитроне, грубо говоря, постоянно.
Снова повышаем напряжение, ток продолжает расти, стабилитрон начинает греться. Когда ток превысит максимально допустимое значение, стабилитрон перегреется и выйдет из строя.
Если не доводить дело до теплового пробоя, а снизить напряжение до нуля - вольтамперная характеристика повторится в обратном направлении.
Параметры стабилитрона
Какие параметры характеризуют стабилитрон? Базовые параметры - это напряжение стабилизации, минимальный ток стабилизации и мощность рассеяния.
Напряжение стабилизации Uст (в зарубежной литературе Uz, zener voltage) - это, грубо говоря, рабочее напряжение стабилитрона. А если по умному, то это напряжение на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации.
Как правило, стабилитроны одного типа имеют небольшой разброс напряжения стабилизации, поэтому в документации указывается минимальное, номинальное и максимальное напряжение стабилизации при заданной температуре и токе.
Минимальный ток стабилизации Iст мин (Iz) - величина тока, при которой стабилитрон "выходит" на свой рабочий участок вольтамперной характеристики. По сути, это точка с которой начинается "излом" характеристики.
Мощность рассеяния стабилитрона P - параметр определяющий максимально допустимый ток стабилитрона. Если принять, что напряжение на стабилитроне в рабочем режиме не меняется, то максимальный ток можно вычислить как P/Uст. Также можно прикинуть максимальный ток в прямом направлении P/Uf = P / 0,7. Мощность рассеяния стабилитрона зависит от его конструкции корпуса (и площади p-n перехода). Обычно этот параметр указывается в разделе "absolute maximum ratings".
Схема включения стабилитрона
Типовая схема включения стабилитрона - это схема простого стабилизатора напряжения. Она включает в себя стабилитрон и резистор для ограничения тока (источник питания и нагрузка на схеме не нарисована). На вход схемы подается нестабилизированное постоянное напряжение большее напряжения стабилизации на несколько вольт, на выходе схемы получается стабилизированное напряжение равное Uz (напряжению стабилизации) используемого стабилитрона.
Такой стабилизатор напряжения можно использовать для питания мало потребляемых схем, потому что из-за резистора он не способен "отдать" в нагрузку большой ток.
Как видно из рисунка, входной ток распределяется между стабилитроном и нагрузкой. Если нагрузка не потребляет ток, стабилитрон "забирает" весь ток на себя, и при большом его значении может перегореть. Если ток нагрузки становиться большим, то стабилитрону "достается" меньше току, напряжение на нем падает и он уже не может выполнять свои функции.
Номинал резистора R1 рассчитывается по формуле:
R = (Uin - Uz)/(Iz + I)
где Uin - входное напряжение (В),
Uz - номинальное напряжение стабилизации (В),
Iz - ток стабилитрона (А),
I - ток нагрузки (А).
Ток стабилитрона Iz нужно выбирать между минимальным и максимальным значениями, исходя из изменений входного напряжения и тока нагрузки. Минимальный ток стабилизации задается в документации, а максимальный ток можно посчитать из максимальной рассеиваемой мощности.
