Стабилитроны

Принцип работы, характеристики и применение

Стабилитрон (диод Зенера) — это особый тип полупроводникового диода, предназначенный для работы в режиме обратного пробоя. В отличие от обычных диодов, которые в этом режиме выходят из строя, стабилитрон рассчитан на длительную и стабильную работу в области пробоя, что позволяет ему поддерживать на своих выводах практически постоянное напряжение даже при значительном изменении протекающего тока.

Работу стабилитрона можно разделить на три режима:

1. Прямое включение (как у обычного диода): Когда анод имеет более высокий потенциал, чем катод, стабилитрон ведет себя как обычный диод: открывается при достижении порогового напряжения (около 0,3–0,7 В) и пропускает ток.
2. Обратное включение (напряжение ниже напряжения пробоя): Когда катод имеет более высокий потенциал, чем анод, к стабилитрону приложено обратное напряжение. При напряжениях, меньших, чем напряжение стабилизации \(V_Z\), через стабилитрон протекает очень маленький ток утечки. Он практически не проводит ток.
3. Режим пробоя (рабочий режим): Когда обратное напряжение достигает определённого значения (\(V_Z\) — напряжение стабилизации), происходит явление, называемое пробоем. В этом режиме падение напряжения на стабилитроне остаётся относительно постоянным, в то время как ток через него может изменяться в очень широких пределах.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона изображена на рисунке 1а.

Рисунок 1 - Вольт-амперные характеристики: а) стабилитрона, б) стабистора

На характеристике точками А и Б отмечены границы рабочего участка. Положению точки А соответствует напряжение пробоя \(p\)--\(n\)-перехода, которое определяется типом исходного материала и концентрации в нем примесей. Точка Б соответствует предельному режиму, в котором на стабилитроне рассеивается максимально допустимая мощность.

Существует два основных механизма:

• Туннельный пробой (Зенеровский): Происходит в сильнолегированных p-n переходах, где область обеднения очень узкая. Сильное электрическое поле позволяет электронам туннелировать через запрещённую зону. Характерен для стабилитронов с низким напряжением стабилизации (\(V_Z < 5,5\) В). Имеет отрицательный температурный коэффициент — с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается.
• Лавинный пробой: Происходит в слаболегированных переходах с широкой областью обеднения. Под действием сильного поля электроны разгоняются, сталкиваются с атомами кристаллической решётки и выбивают новые электроны, вызывая лавинообразную реакцию. Характерен для стабилитронов с высоким напряжением стабилизации (\(V_Z > 5,5\) В). Имеет положительный температурный коэффициент — с ростом температуры напряжение стабилизации увеличивается.

В современных стабилитронах, особенно на средних напряжениях, работают оба механизма. При \(V_Z \approx 5,5\) В эффекты компенсируют друг друга, и температурный коэффициент близок к нулю.

Для стабилизации низких напряжений (порядка 0.5 - 1.5 В) используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики обычного диода. В этом режиме также наблюдается слабая зависимость напряжения от тока. Такие приборы называют стабисторами.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабистора изображена на рисунке 1б.

Стабистор — это отдельный класс полупроводниковых приборов для стабилизации напряжения, использующий прямую ветвь ВАХ проводящего диода.

• Напряжение стабилизации (\(V_Z\)): Основной параметр. Напряжение на стабилитроне в режиме пробоя. Лежит в диапазоне от 1,8 В до нескольких сотен вольт.
• Мощность рассеяния (\(P_Z\)): Максимальная мощность, которую стабилитрон может рассеять без разрушения. Рассчитывается как \(P = V_Z \times I_Z\). Распространённые значения: 0,25, 0,5, 1, 1,3, 5 Вт и т.д.
• Максимальный ток стабилизации (\(I_{Z max}\)): Рассчитывается из мощности: \(I_{Z max} = P_Z / V_Z\).
• Минимальный ток стабилизации (\(I_{Z min}\)): Наименьший ток через стабилитрон, при котором ещё поддерживается режим пробоя и стабильное напряжение. Обычно 1–5 мА.
• Температурный коэффициент (ТКН): Показывает, насколько изменяется напряжение стабилизации при изменении температуры. Зависит от \(V_Z\):
  • \(V_Z < 5\) В — ТКН отрицательный,
  • \(V_Z \approx 5\) В — ТКН близок к нулю,
  • \(V_Z > 5\) В — ТКН положительный.
• Дифференциальное сопротивление (\(r_Z\)): Сопротивление стабилитрона в режиме пробоя. Чем оно меньше, тем лучше стабилитрон поддерживает постоянное напряжение при изменении тока. Рассчитывается как \(r_Z = \Delta V_Z / \Delta I_Z\).

1. Параметрический стабилизатор напряжения

Назначение: Получение стабильного напряжения из нестабильного.

Принцип: Напряжение источника (\(U_{in}\)) должно быть выше \(V_Z\). Резистор \(R_{огр}\) ограничивает ток через стабилитрон. Избыточное напряжение падает на резисторе, а напряжение на нагрузке (\(U_{out} \approx V_Z\)) остаётся почти неизменным.

Недостаток: Низкий КПД, так как значительная мощность рассеивается на балластном резисторе и самом стабилитроне.

Пример

В основном стабилитроны применяются для стабилизации напряжения в источниках электропитания. Стабилизация напряжения с помощью стабилитронов происходит следующим образом. Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке \(R_н\), а в общую цепь включают ограничительный резистор \(R\) (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема параметрического стабилизатора напряжения

Увеличение напряжения источника питания на величину \(\Delta E\) приводит к увеличению общего тока в цепи

Поскольку при изменении тока через стабилитрон напряжение на нем практически остается неизменным и равным напряжению стабилизации, то изменением тока нагрузки \(I_н\) можно пренебречь. Приращение напряжения источника питания на величину \(\Delta E\) почти целиком произойдет на ограничительном резисторе \(R\).

При уменьшении напряжения источника питания на величину \(\Delta E\) общий ток в цепи уменьшится, что приведет к уменьшению тока через стабилитрон. Если уменьшение тока через стабилитрон не вышло из пределов стабилизации, то в этом случае при сохранении постоянного напряжения на нагрузке напряжение на резисторе \(R\) уменьшится на величину \(\Delta E\).

Таким образом, ограничительный резистор \(R\) в стабилизаторе напряжения является функционально необходимым элементом. Для схемы, показанной на рис. 2, справедливо уравнение:

откуда

2. Ограничитель и защита от перенапряжений

Назначение: Защита чувствительных входов схем от скачков напряжения.

Принцип: Стабилитрон включается параллельно защищаемой линии. В нормальном режиме он закрыт. При превышении напряжения выше \(V_Z\) стабилитрон открывается и ограничивает напряжение на безопасном уровне.

3. Сдвиг уровня напряжения

Назначение: Смещение рабочей точки транзисторных каскадов.

Принцип: Стабилитрон, включённый в цепь эмиттера, создаёт на нём постоянное падение напряжения, равное \(V_Z\), что задаёт определённый режим работы транзистора.

Преимущества:

• Простота и дешевизна.
• Малые габариты.
• Широкий диапазон напряжений стабилизации.
• Высокое быстродействие.

Недостатки:

• Низкий КПД в схемах стабилизаторов.
• Ограниченная точность поддержания напряжения.
• Зависимость напряжения стабилизации от температуры и тока.
• Шум в режиме пробоя.

Для задач стабилизации напряжения сегодня часто используются более эффективные интегральные стабилизаторы (серии 78xx, LM317) и импульсные стабилизаторы. Они обеспечивают лучшую стабильность, большие выходные токи и более высокий КПД. Однако стабилитроны остаются незаменимыми в качестве опорных источников напряжения, для защиты цепей и в маломощных простых схемах.

Стабилитрон — это не просто «стабилизатор», а универсальный нелинейный элемент, чьё ключевое свойство — резкое и предсказуемое изменение состояния при определённом напряжении — полезно в самых разных областях схемотехники. От защиты дорогостоящих компонентов до генерации случайных сигналов — его возможности гораздо шире, чем кажется на первый взгляд.