Стабилитроны: принцип действия, типы и использование


Диоды обычно известны как устройства, которые пропускают ток в одном направлении (с прямым смещением) и оказывают сопротивление протеканию тока при использовании с обратным смещением. Стабилитроны, которые в англоязычных источниках называются также диодами Зенера (Zener Diodes) в честь американского ученого К. Зенера, который первым объяснил принципы их работы, с другой стороны, не только пропускают ток при использовании в прямом смещении, но также пропускают ток при использовании в обратном смещении. Напряжение пробоя, известное как напряжение пробоя Зенера — это напряжение, при котором стабилитрон начинает проводить ток в обратном направлении.

Внешний вид и схема включения стабилитрона

Принцип работы стабилитрона

Обозначение стабилитрона на схемах

В обычных диодах напряжение пробоя очень велико и диод полностью повреждается, если прикладывается напряжение выше напряжения пробоя, но в стабилитронах напряжение пробоя не такое высокое и не приводит к необратимому повреждению стабилитрона.

Когда обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, увеличивается до указанного напряжения пробоя (Vz), через диод начинает течь ток, известный как ток стабилитрона, и этот процесс известен как лавинный пробой. Ток увеличивается до максимума и стабилизируется. Этот ток остается постоянным в широком диапазоне приложенного напряжения и позволяет стабилитрону выдерживать более высокое напряжение без повреждения своей структуры.

На следующих рисунках показан принцип действия обычного диода.

Работа диода при прямом смещении Работа диода при обратном смещении

Чтобы продемонстрировать работу стабилитрона, рассмотрим два эксперимента (А и Б), приведенные на следующих рисунках.

Эксперимент А: стабилитрон на 12 В Эксперимент Б: стабилитрон на 6 В

В эксперименте А стабилитрон на 12 В подключен с обратным смещением, как показано на рисунке, и можно видеть, что стабилитрон эффективно блокировал напряжение, поскольку оно было меньше или равно напряжению пробоя конкретного стабилитрона. В результате лампа не горит.

В эксперименте Б используемый стабилитрон на 6 В проводит ток (лампочка загорается) с обратным смещением, поскольку приложенное напряжение больше, чем его напряжение пробоя, и, таким образом, это показывает, что область пробоя является областью работы стабилитрона.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона имеет следующий вид.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Из представленного графика можно сделать вывод, что стабилитрон, работающий в режиме обратного смещения, будет иметь постоянное напряжение независимо от величины подаваемого тока.

Применение стабилитронов

Стабилитроны используются в трех основных случаях в электронных схемах:

  1. Регулирование напряжения.
  2. Ограничение (обрезание) формы сигналов.
  3. Переключатель (преобразователь) напряжения.

Стабилитрон как регулятор напряжения

Это, пожалуй, наиболее распространенное применение стабилитронов.

Такое применение стабилитронов во многом зависит от способности стабилитронов поддерживать постоянное напряжение независимо от изменений тока питания или тока нагрузки. Общая функция устройства регулирования напряжения заключается в обеспечении постоянного выходного напряжения для нагрузки, подключенной параллельно ему, независимо от изменений энергии, потребляемой нагрузкой (тока нагрузки), или изменений и нестабильности напряжения питания.

Стабилитрон будет обеспечивать постоянное напряжение при условии, что ток остается в диапазоне максимального и минимального обратного тока.

Принципиальная схема, показывающая, как стабилитрон используется в качестве регулятора напряжения, показана на следующем рисунке.

Применение стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Резистор R1 подключается последовательно со стабилитроном, чтобы ограничить величину тока, протекающего через него, а входное напряжение Vin (которое должно быть больше, чем напряжение стабилитрона) подключается параллельно, как показано на рисунке, и выходное напряжение Vout снимается через стабилитрон с Vout = Vz (напряжение Зенера). Поскольку характеристики обратного смещения стабилитрона необходимы для регулирования напряжения, он подключается в режиме обратного смещения, при этом катод подключается к положительной шине схемы.

Необходимо соблюдать осторожность при выборе номинала резистора R1, так как резистор небольшого номинала приведет к большому току стабилитрона при подключении нагрузки, и это увеличит требования к рассеиваемой мощности стабилитрона, которая может превысить максимальную номинальную мощность стабилитрона и может повредить его.

Номинал используемого резистора можно определить по приведенной ниже формуле.

Если мы выберем значение сопротивления R1 по этой формуле, то это гарантирует, что ток в нашей схеме не будет превышать значение тока, который может выдержать стабилитрон.

Одна небольшая проблема, с которой сталкиваются схемы стабилизаторов на основе стабилитронов, заключается в том, что стабилитрон иногда генерирует электрический шум на шине питания при попытках регулировать входное напряжение. Хотя для большинства приложений это не является проблемой, эту проблему можно решить добавлением к стабилитрону развязывающего конденсатора большой емкости. Это помогает стабилизировать выходную мощность стабилитрона.

Добавление в схему конденсатора для стабилизации выходной мощности стабилитрона

Стабилитрон в качестве ограничителя формы сигнала

Одно из применений обычных диодов заключается в применении схем ограничения и фиксации, которые представляют собой схемы, которые используются для формирования или изменения входной формы или сигнала переменного тока, создавая выходной сигнал различной формы в зависимости от характеристик ограничителя.

Схемы клипперов (ограничителей), как правило, представляют собой схемы, которые используются для предотвращения выхода выходного сигнала схемы за пределы заранее определенного значения напряжения без изменения какой-либо другой части входного сигнала или формы волны.

Эти схемы вместе с ограничителями широко используются в аналоговых телевизионных и FM-радиопередатчиках для устранения помех (схем ограничения) и ограничения пиков шума путем ограничения высоких пиков.

Поскольку стабилитроны в целом ведут себя как обычные диоды, когда приложенное напряжение не равно напряжению пробоя, они также используются в подобных схемах ограничения.

Схемы ограничения могут быть спроектированы так, чтобы ограничивать сигнал либо в положительной, либо в отрицательной, либо в обеих областях. Хотя диод естественным образом отсекает другую область при напряжении 0,7 В независимо от того, был ли он спроектирован как положительный или отрицательный ограничитель.

Например, рассмотрим схему ниже.

Применение стабилитрона в качестве ограничителя формы сигнала

Схема ограничителя предназначена для ограничения выходного сигнала при напряжении 6,2 В, поэтому был использован стабилитрон на 6,2 В. Стабилитрон предотвращает выход выходного сигнала за пределы напряжения стабилитрона независимо от формы входного сигнала. В этом конкретном примере использовалось входное напряжение 20 В, а выходное напряжение положительного напряжения составляло 6,2 В, что соответствовало напряжению стабилитрона. Однако при отрицательном колебании переменного напряжения стабилитрон ведет себя так же, как обычный диод, и фиксирует выходное напряжение на уровне 0,7 В, что соответствует обычным силиконовым диодам.

Форма сигнала при применении стабилитрона в качестве ограничителя формы сигнала

Если мы хотим ограничить сигнал сверху и снизу, то используется схема ограничения на основе двойного стабилитрона, показанная на следующем рисунке.

Схема ограничения на основе двойного стабилитрона и форма сигнала на выходе данной схемы

В приведенной схеме ограничения напряжение Vz2 представляет собой напряжение при отрицательном колебании источника переменного тока, при котором выходной сигнал желательно ограничивать, а напряжение Vz1 представляет аналогичное напряжение при положительном колебании источника переменного тока.

Стабилитрон как преобразователь напряжения

Сдвигатель (преобразователь) напряжения — одно из самых простых, но интересных применений стабилитрона. Если у вас был опыт подключения датчика 3,3 В к микроконтроллеру 5 В, и вы своими глазами видели ошибки в показаниях и т. д., которые могут к ним привести, вы оцените важность переключателей напряжения. Сдвигатели напряжения помогают преобразовывать сигнал из одного напряжения в другое, а способность стабилитрона поддерживать стабильное выходное напряжение в зоне пробоя делает их идеальным компонентом для работы.

В переключателе напряжения на основе стабилитрона схема понижает выходное напряжение на величину, равную напряжению пробоя конкретного используемого стабилитрона. Принципиальная схема подобного переключателя напряжения показана на следующем рисунке.

Схема применения стабилитрона для преобразования напряжения

Рассмотрим эксперимент на рисунке ниже.

Эксперимент с преобразованием напряжений с помощью стабилитрона

Схема демонстрирует преобразователь напряжения на основе стабилитрона 3,3 В. Выходное напряжение (3,72 В) схемы получается путем вычитания напряжения пробоя (3,3 В) стабилитрона из входного напряжения (7 В).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 – 3.3 = 3.7v

Рассмотренный переключатель (преобразователь) напряжения, имеет несколько применений в современном проектировании электронных схем, поскольку инженеру-конструктору, возможно, придется одновременно работать с тремя различными уровнями напряжения в процессе проектирования.

Типы стабилитронов

Стабилитроны подразделяются на типы на основе нескольких параметров, которые включают в себя;

  1. Номинальное напряжение.
  2. Рассеяние мощности.
  3. Прямой ток.
  4. Прямое напряжение.
  5. Тип корпуса.
  6. Максимальный обратный ток.

Номинальное напряжение

Номинальное рабочее напряжение стабилитрона также известно как напряжение пробоя стабилитрона, в зависимости от применения, для которого будет использоваться стабилитрон, это часто является наиболее важным критерием для выбора стабилитрона.

Рассеяние мощности

Это максимальная мощность, которую может рассеивать стабилитрон. Превышение этой номинальной мощности приводит к чрезмерному повышению температуры стабилитрона, что может привести к его повреждению и выходу из строя подключенных к нему устройств в цепи. Таким образом, этот фактор следует учитывать при выборе стабилитрона с учетом вида его использования.

Максимальный ток Зенера

Это максимальный ток, который можно пропустить через стабилитрон без его повреждения.

Минимальный ток Зенера

Это минимальный ток, необходимый для того, чтобы стабилитрон начал работать в зоне пробоя.

Заключение

Вот 5 основных моментов, о которых никогда не следует забывать при использовании стабилитронов в своих электронных проектах.

  1. Стабилитрон похож на обычный диод только тем, что он легирован, чтобы обеспечить резкое напряжение пробоя.
  2. Стабилитрон поддерживает стабильное выходное напряжение независимо от входного напряжения при условии, что максимальный ток стабилитрона не превышен.
  3. При прямом смещении стабилитрон ведет себя точно так же, как обычный силиконовый диод. Он проводит ток с тем же падением напряжения 0,7 В, что и обычный диод.
  4. По умолчанию рабочее состояние стабилитрона находится в зоне пробоя (обратное смещение). Это означает, что он фактически начинает работать, когда приложенное напряжение выше, чем напряжение Зенера в обратном смещении.
  5. Стабилитрон в основном используется в приложениях, связанных с регулированием напряжения, схемами ограничения и преобразователями напряжения.
(Проголосуй первым!)
Загрузка...
708 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *