Для чего нужен стабилитрон

Стабилитрон

Назначение, обозначение на схеме и параметры стабилитрона

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.

Принцип работы стабилитрона.

Прежде всего, не следует забывать, что стабилитрон работает только в цепях постоянного тока. Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, то есть на анод стабилитрона будет подан минус «-«. При таком включении стабилитрона 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 основным параметрам стабилитрона относятся U ст. (напряжение стабилизации) и I ст. (ток стабилизации). Эти данные указаны в паспорте на конкретный тип стабилитрона. Причём величины максимального и минимального токов учитываются только при расчёте стабилизаторов с прогнозируемыми большими изменениями 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.

Д814Б	2С147А
V стаб. мин. – 8 вольт. V стаб. ном. – 9 вольт. V стаб. макс. – 9,5 вольт. I стаб. – 3 – 35 мA. P макс. – 340 мВт.	V стаб. мин. – 4,2 вольта. V стаб. ном. – 4,7 вольт. V стаб. макс. – 5,1 вольт. I стаб. – 3 – 60 мА. P макс. – 300 мВт.

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.

Стабилитрон: подробно простым языком

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 напряжения.

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 стабилизированного напряжения 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 напряжение 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.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

4.4. Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики.

ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 4.9.

Рис. 4.9. Вольт-амперная характеристика (а) и конструкция корпуса (б) стабилитрона

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U_стаб, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление R_диф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах величина R_диф составляет значение: R_диф ≈ 2÷50 Ом.

Основное назначение стабилитрона — стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.

Напряжение стабилизации U_стаб зависит от физического механизма, обуславливающего резкую зависимость тока от напряжения. Различают два физических механизма, ответственных за такую зависимость тока от напряжения, — лавинный и туннельный пробой p-n перехода.

Для стабилитронов с туннельным механизмом пробоя напряжение стабилизации U_стаб невелико и составляет величину менее 5 вольт: U_стаб < 5 В. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя напряжение стабилизации обычно имеет большие значения и составляет величину более 8 вольт: U_стаб > 8 В.

Туннельный пробой в полупроводниках

Проанализируем более подробно механизмы туннельного и лавинного пробоя.

Рассмотрим зонную диаграмму диода с p-n переходом при обратном смещении при условии, что области эмиттера и базы диода легированы достаточно сильно (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Зонная диаграмма диода на базе сильнолегированного p-n перехода при обратном смещении

Квантово-механическое рассмотрение туннельных переходов для электронов показывает, что в том случае, когда геометрическая ширина потенциального барьера сравнима с дебройлевской длиной волны электрона, возможны туннельные переходы электронов между заполненными и свободными состояниями, отделенными потенциальным барьером.

Форма потенциального барьера обусловлена полем p-n перехода. На рисунке 4.11 схематически изображен волновой пакет при туннелировании через потенциальный барьер треугольной формы.

Рис. 4.11. Схематическое изображение туннелирования волнового пакета через потенциальный барьер

Возьмем уравнение Шредингера Hψ = Eψ, где H — гамильтониан для свободного электрона , Е — энергия электрона.

Введем

Тогда снаружи от потенциального барьера уравнение Шредингера будет иметь вид:

Внутри потенциального барьера .

Решение для волновых функций электрона будем искать в следующем виде:

Используем условие непрерывности для волновой функции и ее производные ψ, dψ/dx на границах потенциального барьера, а также предположение об узком и глубоком потенциальном барьере (βW >> 1).

В этом случае для вероятности туннельного перехода Т получаем:

Выражение для туннельного тока электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне будет описываться следующим соотношением:

где использованы стандартные обозначения для функции распределения и плотности квантовых состояний.

При равновесных условиях на p⁺-n⁺ переходе токи слева и справа друг друга уравновешивают: I_C→V = I_V→C.

При подаче напряжения туннельные токи слева и справа друг друга уже не уравновешивают:

   (4.18)

Здесь f_C, f_V — неравновесные функции распределения для электронов в зоне проводимости и валентной зоне.

Для барьера треугольной формы получено аналитическое выражение для зависимости туннельного тока J_тун от напряженности электрического поля Е следующего вида:

   (4.19)

За напряженность электрического поля пробоя E_пр условно принимают такое значение поля Е, когда происходит десятикратное возрастание обратного тока стабилитрона: I_тун = 10·I₀.

При этом для p-n переходов из различных полупроводников величина электрического поля пробоя E_пр составляет значения: кремний Si: E_пр = 4·10⁵ В/см; германий Ge: E_пр = 2·10⁵ В/см. Туннельный пробой в полупроводниках называют также зинеровским пробоем.

Оценим напряжение U_z, при котором происходит туннельный пробой.

Будем считать, что величина поля пробоя E_пр определяется средним значением электрического поля в p-n переходе E_пр = U_обр/W . Поскольку ширина области пространственного заряда W зависит от напряжения по закону , то, приравнивая значения W из выражений , получаем, что напряжение туннельного пробоя будет определяться следующим соотношением [5, 2]:

   (4.20)

Рассмотрим, как зависит напряжение туннельного пробоя от удельного сопротивления базы стабилитрона. Поскольку легирующая концентрация в базе N_D связана с удельным сопротивлением ρ_базы соотношением N_D = 1/ρμe, получаем:

   (4.21)

Из уравнения (4.21) следует, что напряжение туннельного пробоя U_z возрастает с ростом сопротивления базы ρ_базы.

Эмпирические зависимости напряжения туннельного пробоя U_z для различных полупроводников имеют следующий вид:

германий (Ge): U_z = 100ρ_n + 50ρ_p;
кремний (Si): U_z = 40ρ_n + 8ρ_p,
где n, p — удельные сопротивления n- и p-слоев, выраженные в (Ом·см).

Лавинный пробой в полупроводниках

Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии, равном длине свободного пробега λ, наберет энергию, равную либо большую, чем ширина запрещенной зоны, то, неупруго рассеиваясь, этот электрон может вызвать генерацию еще одной электронно дырочной пары. Дополнительно нагенерированные свободные носители также будут участвовать в аналогичном процессе. Это явление лавинного размножения свободных носителей в условиях сильного электрического поля получило название лавинного пробоя. На рисунке 4.12 показана схема, иллюстрирующая лавинный пробой.

Размеры геометрической области полупроводника W, в которой происходит лавинное умножение, должны быть существенно больше длины свободного пробега электрона λ. Соотношения, определяющие условие лавинного пробоя, будут следующие:

   (4.22)

Рис. 4.12. Схема, иллюстрирующая лавинный пробой в однородном полупроводнике [27, 10]:
а) распределение электрического поля, доноров и акцепторов и свободных носителей; б) распределение токов; в) зонная диаграмма, иллюстрирующая лавинное умножение в ОПЗ

Одним из параметров лавинного пробоя является коэффициент лавинного умножения M, определяемый как количество актов лавинного умножения в области сильного электрического поля. Если обозначить начальный ток I₀, то после лавинного умножения величина тока будет иметь вид: I = M·I₀,

где U_μ — напряжение лавинного пробоя, U — напряжение, n — коэффициент, равный 3 или 5 для Ge или Si соответственно.

Для несимметричного p⁺-n перехода расчет дает следующее значение напряжения лавинного пробоя V_B при условии, что максимальное значение поля в ОПЗ p⁺-n перехода можно приближенно оценить как среднее:

   (4.23)

Величина электрического поля Е_m, определяемая соотношением (4.23), зависит от величины и типа легирующей концентрации N_D, N_A, температуры и лежит в диапазоне Е_m = (4÷5)·10⁵ В/см для кремния и Е_m = (2÷3)·10⁵ В/см для германия.

Приборные характеристики стабилитронов

Основными характеристиками стабилитрона являются ток I_ст и напряжение U_ст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона r_ст и температурная зависимость этих параметров. На рисунке 4.13 приведены дифференциальные параметры различных стабилитронов.

Рис.

Как работает стабилитрон.

4.13. Дифференциальные параметры различных стабилитронов:
а) зависимость дифференциального сопротивления от прямого тока 2С108; б) зависимость изменения напряжения стабилизации от температуры для различных типономиналов стабилитрона 2С108; в) зависимость дифференциального сопротивления от прямого тока 2С351

Как следует из приведенных данных, значение дифференциального сопротивления для стабилитронов обратно пропорционально току стабилизации и составляет десятки Ом при рабочих параметрах токов. Точность значения напряжения стабилизации составляет десятки милливольт в стандартном температурном диапазоне.

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

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

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.

Принцип работы стабилитрона

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.

Читайте также

Светодиоды диод с простым P-N переходом, испускающий свет, когда через него проходит ток

Туннельный диод диод, характеристики которого отличаются от характеристик обычного диода

Фотодиод светочувствительный диод, который использует энергию света для создания напряжения

Тетрод диод с четырьмя элементами: катод, анод, управляющая сетка и сетка-экран

Триод электронная лампа с тремя элементами: катод, анод и управляющая сетка

Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

В основе работы стабилитрона лежат два механизма:

§  Лавинный пробой p-n перехода

§  Туннельный пробой p-n перехода (Эффект Зенера в англоязычной литературе)

Несмотря на схожие результаты действия, эти механизмы различны, хотя и присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них. У стабилитронов до напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой с отрицательным температурным коэффициентом, выше 5,6 вольт доминирующим становится лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. При напряжении, равном 5,6 вольт, оба эффекта уравновешиваются, поэтому выбор такого напряжения является оптимальным решением для устройств с широким температурным диапазоном применения.

Пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей заряда. Поэтому в стабилитроне инжекционные явления, связанные с накоплением и рассасыванием носителей заряда при переходе из области пробоя в область запирания и обратно, практически отсутствуют.

Стабилитрон

Это позволяет использовать их в импульсных схемах в качестве фиксаторов уровней и ограничителей.

Виды стабилитронов:

§  прецизионные — обладают повышенной стабильностью напряжения стабилизации, для них вводятся дополнительные нормы на временную нестабильность напряжения и температурный коэффициент напряжения (например: 2С191, КС211, КС520);

§  двуханодные — обеспечивают стабилизацию и ограничение двухполярных напряжений, для них дополнительно нормируется абсолютное значение несимметричности напряжения стабилизации (например: 2С170А, 2С182А);

§  быстродействующие — имеют сниженное значение барьерной ёмкости (десятки пФ) и малую длительность переходного процесса (единицы нс), что позволяет стабилизировать и ограничивать кратковременные импульсы напряжения (например: 2С175Е, КС182Е, 2С211Е).

Существуют микросхемы линейных регуляторов напряжения с двумя выводами, которые имеют такую же схему включения, что и стабилитрон, и зачастую, такое же обозначение на электрических принципиальных схемах.^[1]

[править]Параметры

Основным параметром стабилитронов является напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Пробивное напряжение диода, а значит, напряжение стабилизации стабилитрона зависит от толщины p-n-перехода или от удельного сопротивления базы диода. Поэтому разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 В).

Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Значения этого параметра у различных стабилитронов различны. Коэффициент может иметь как положительные так и отрицательные значения для высоковольтных и низковольтных стабилитронов соответственно. Изменение знака соответствует напряжению стабилизации порядка 6В.