Что такое стабилитроны?

Что такое стабилитрон?

Стабилитрон - это особый тип выпрямительного диода, который может выдерживать пробой из-за обратного напряжения пробоя без полного выхода из строя. Здесь мы обсудим концепцию использования диодов для регулирования падения напряжения и то, как стабилитрон работает в режиме обратного смещения для регулирования напряжения в цепи.

Как диоды регулируют падение напряжения

Если мы подключим диод и резистор последовательно к источнику постоянного напряжения так, чтобы диод был смещен в прямом направлении, падение напряжения на диоде останется довольно постоянным в широком диапазоне напряжений источника питания, как показано на рисунке (а) ниже.

Ток через смещенный в прямом направлении PN-переход пропорционален e возведен в степень прямого падения напряжения. Поскольку это экспоненциальная функция, ток растет довольно быстро при небольшом увеличении падения напряжения.

Другой способ рассмотреть это - сказать, что напряжение, падающее на диоде с прямым смещением, мало изменяется при больших изменениях тока диода. В схеме, показанной на рисунке (а) ниже, ток диода ограничен напряжением источника питания, последовательным резистором и падением напряжения на диоде, которое, как мы знаем, не сильно отличается от 0,7 вольт.

Кремниевый эталон с прямым смещением:(а) одиночный диод, 0,7 В, (б) 10 последовательно соединенных диодов, 7,0 В.

Если бы напряжение источника питания было увеличено, падение напряжения резистора увеличилось бы почти на такую же величину, а напряжение диода упало бы совсем немного. И наоборот, снижение напряжения источника питания привело бы к почти одинаковому снижению падения напряжения на резисторе с небольшим уменьшением падения напряжения на диодах.

Одним словом, мы могли бы резюмировать это поведение, сказав, что диод регулирующий падение напряжения примерно на 0,7 вольт.

Использование регулирования напряжения

Регулировка напряжения - это полезное свойство диодов. Предположим, мы строим какую-то схему, которая не может выдерживать колебаний напряжения источника питания, но должна питаться от химической батареи, напряжение которой изменяется в течение срока ее службы. Мы могли бы сформировать схему, как показано выше, и подключить схему, требующую постоянного напряжения на диоде, где он будет получать неизменное 0,7 вольт.

Это, безусловно, сработает, но для нормальной работы большинства практичных схем любого типа требуется напряжение источника питания выше 0,7 В. Один из способов увеличить нашу точку стабилизации напряжения - это соединить несколько диодов последовательно так, чтобы их отдельные прямые падения напряжения по 0,7 В каждое добавляли, чтобы получить большую сумму.

Например, в нашем примере выше [рисунок (b)], если бы у нас было десять последовательно соединенных диодов, регулируемое напряжение было бы в десять раз 0,7 или 7 вольт.

До тех пор, пока напряжение аккумулятора никогда не опускалось ниже 7 вольт, на «стеке» из десяти диодов всегда будет падать около 7 вольт.

Как стабилитроны регулируют напряжение

Если требуются более высокие регулируемые напряжения, мы могли бы либо использовать больше диодов, включенных последовательно (на мой взгляд, это неэлегантный вариант), либо попробовать принципиально другой подход.

Мы знаем, что прямое напряжение на диоде является довольно постоянной величиной в широком диапазоне условий, но также и обратное напряжение пробоя . Напряжение пробоя обычно намного больше прямого напряжения.

Если бы мы поменяли полярность диода в нашей схеме однодиодного стабилизатора и увеличили напряжение источника питания до точки, где диод «сломался» (то есть, он больше не мог выдерживать напряжение обратного смещения, приложенное к нему), диод аналогичным образом регулирует напряжение в этой точке пробоя, не позволяя ему расти дальше. Это показано на рисунке (а) ниже.

(а) Кремниевый малосигнальный диод с обратным смещением выходит из строя при напряжении около 100 В. (б) Символ стабилитрона.

К сожалению, когда обычные выпрямительные диоды «выходят из строя», они обычно разрушаются. Однако можно создать диод особого типа, который выдержит пробой без полного выхода из строя. Этот тип диодов называется стабилитроном . , а его символ показан на рисунке (b) выше.

При прямом смещении стабилитроны ведут себя примерно так же, как стандартные выпрямительные диоды:они имеют прямое падение напряжения, которое соответствует «уравнению диода» и составляет около 0,7 вольт. В режиме обратного смещения они не проводят до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет или не превысит так называемое напряжение стабилитрона . , в этот момент диод может проводить значительный ток, и при этом будет пытаться ограничить падение напряжения на нем до этой точки напряжения Зенера.

Пока мощность, рассеиваемая этим обратным током, не превышает тепловые пределы диода, диод не будет поврежден. По этой причине стабилитроны иногда называют «пробивными диодами».

Схема на стабилитроне

Стабилитроны производятся с напряжением стабилитрона от нескольких вольт до сотен вольт. Это напряжение стабилитрона незначительно изменяется с температурой, и, как и обычные значения резисторов из углеродного состава, может иметь погрешность от 5 до 10 процентов по сравнению со спецификациями производителя. Однако этой стабильности и точности обычно достаточно для использования стабилитрона в качестве устройства стабилизации напряжения в общей цепи питания, показанной на рисунке ниже.

Схема стабилизатора на стабилитроне, напряжение стабилитрона =12,6 В).

Работа стабилитрона Обратите внимание на ориентацию стабилитрона в приведенной выше схеме:диод смещен в обратном направлении , и намеренно так. Если бы мы сориентировали диод «нормальным» образом, чтобы он был смещен в прямом направлении, он бы упал всего на 0,7 В, как и обычный выпрямительный диод. Если мы хотим использовать свойства обратного пробоя этого диода, мы должны использовать его в режиме обратного смещения. Пока напряжение источника питания остается выше напряжения стабилитрона (в данном примере 12,6 вольт), падение напряжения на стабилитроне будет оставаться на уровне примерно 12,6 вольт.

Как и любой полупроводниковый прибор, стабилитрон чувствителен к температуре. Избыточная температура разрушит стабилитрон, а поскольку он снижает напряжение и проводит ток, он выделяет собственное тепло в соответствии с законом Джоуля (P =IE). Следовательно, нужно быть осторожным при проектировании схемы регулятора таким образом, чтобы не превышалась допустимая мощность рассеиваемой мощности диода. Интересно, что когда стабилитроны выходят из строя из-за чрезмерного рассеивания мощности, они обычно выходят из строя закороченными . а не открывать. Диод, вышедший из строя таким образом, легко обнаруживается:он падает почти до нуля при смещении в любую сторону, как кусок проволоки.

Математический анализ схемы регулирования стабилитрона

Давайте рассмотрим схему стабилизации стабилитрона математически, определив все напряжения, токи и рассеиваемую мощность. Взяв ту же форму схемы, показанную ранее, мы выполним расчеты, предполагая, что напряжение стабилитрона составляет 12,6 вольт, напряжение источника питания составляет 45 вольт, а номинал последовательного резистора составляет 1000 Ом (мы будем считать, что напряжение стабилитрона составляет точно 12,6 вольт, чтобы не квалифицировать все цифры как «приблизительные» на рисунке (а) ниже

Если напряжение стабилитрона составляет 12,6 вольт, а напряжение источника питания составляет 45 вольт, на резисторе будет падать 32,4 вольт (45 вольт - 12,6 вольт =32,4 вольт). Падение 32,4 В на 1000 Ом дает 32,4 мА тока в цепи. (Рисунок ниже (b))

(а) Стабилизатор напряжения Зенера с резистором 1000 Ом. (б) Расчет падений напряжения и силы тока.

Мощность рассчитывается путем умножения тока на напряжение (P =IE), поэтому мы можем довольно легко рассчитать рассеиваемую мощность как для резистора, так и для стабилитрона:

Подойдет стабилитрон с номинальной мощностью 0,5 Вт, а также резистор с мощностью рассеяния 1,5 или 2 Вт.

Схема на стабилитроне с более высоким сопротивлением

Если чрезмерное рассеивание мощности вредно, то почему бы не спроектировать схему с наименьшим возможным рассеиванием? Почему бы просто не рассчитать резистор на очень высокое значение сопротивления, тем самым резко ограничив ток и сохранив очень низкие показатели рассеиваемой мощности? Возьмем, например, эту схему с резистором 100 кОм вместо резистора 1 кОм. Обратите внимание, что как напряжение источника питания, так и напряжение стабилитрона диода на рисунке ниже идентичны последнему примеру:

Стабилизатор на стабилитроне с резистором 100 кОм.

При токе всего 1/100 от того, что было раньше (324 мкА вместо 32,4 мА), оба значения рассеиваемой мощности должны быть в 100 раз меньше:

Учет падающего резистора при меньшем значении

Рассмотрим нашу первую схему стабилизатора, на этот раз с нагрузкой 500 Ом, подключенной параллельно стабилитрону на рисунке ниже.

Стабилизатор на стабилитроне с последовательным резистором 1000 Ом и нагрузкой 500 Ом.

Если на нагрузке 500 Ом поддерживается 12,6 В, нагрузка потребляет ток 25,2 мА. Чтобы «падающий» резистор 1 кОм упал на 32,4 В (уменьшив напряжение источника питания с 45 В до 12,6 на стабилитроне), он все равно должен проводить ток 32,4 мА. Таким образом, через стабилитрон остается ток 7,2 мА.

Рассмотрение резистора с понижением более высокого номинала

Теперь рассмотрим нашу схему «энергосберегающего» регулятора с понижающим резистором 100 кОм, которая передает мощность на ту же нагрузку 500 Ом. Что он должен делать, так это поддерживать 12,6 вольт на нагрузке, как и в последней цепи. Однако, как мы увидим, это не может выполнить эту задачу. (Рисунок ниже)

Стабилитрон без регулятора с последовательным резистором 100 кОм и нагрузкой 500 Ом.>

При большем значении понижающего резистора на месте будет только около 224 мВ напряжения на нагрузке 500 Ом, что намного меньше ожидаемого значения 12,6 вольт! Почему это? Если бы у нас действительно было 12,6 В на нагрузке, она потребляла бы тока 25,2 мА, как и раньше. Этот ток нагрузки должен был бы пройти через последовательный понижающий резистор, как это было раньше, но с новым (намного большим!) Понижающим резистором на месте падение напряжения на этом резисторе при токе 25,2 мА, проходящем через него, составит 2520 вольт! Поскольку очевидно, что у нас нет такого большого напряжения, которое обеспечивает аккумулятор, этого не может произойти.

Анализ более высокого сопротивления падению без стабилитрона

Ситуацию легче понять, если мы временно удалим стабилитрон из схемы и проанализируем поведение только двух резисторов на рисунке ниже.

Нерегулятор с удаленным стабилитроном.

И понижающий резистор 100 кОм, и сопротивление нагрузки 500 Ом включены последовательно друг с другом, что дает общее сопротивление цепи 100,5 кОм. При общем напряжении 45 В и общем сопротивлении 100,5 кОм закон Ома (I =E / R) говорит нам, что ток будет 447,76 мкА. Рассчитав падение напряжения на обоих резисторах (E =IR), мы получаем 44,776 В и 224 мВ соответственно.

Если бы мы переустановили стабилитрон в этот момент, он также «увидел бы» 224 мВ на нем, параллельно сопротивлению нагрузки. Это намного ниже напряжения пробоя стабилитрона диода, поэтому он не «пробивается» и не проводит ток. Если уж на то пошло, при таком низком напряжении диод не будет проводить, даже если он будет смещен в прямом направлении! Таким образом, диод перестает регулировать напряжение. Чтобы «активировать» его, необходимо упасть не менее 12,6 В.

Аналитический метод удаления стабилитрона из схемы и проверки наличия достаточного напряжения, чтобы заставить его проводить, является правильным. Тот факт, что стабилитрон включен в цепь, не гарантирует, что на нем всегда будет падать полное напряжение стабилитрона! Помните, что стабилитроны работают путем ограничения напряжение до некоторого максимального уровня; они не могут помириться из-за отсутствия напряжения.

Правило при работе стабилитрона

Таким образом, любая схема стабилизации на стабилитронах будет работать до тех пор, пока сопротивление нагрузки равно некоторому минимальному значению или превышает его. Если сопротивление нагрузки слишком низкое, он будет потреблять слишком большой ток, слишком большое падение напряжения на последовательном понижающем резисторе, оставляя недостаточное напряжение на стабилитроне, чтобы заставить его проводить. Когда стабилитрон перестает проводить ток, он больше не может регулировать напряжение, и напряжение нагрузки упадет ниже точки регулирования.

Расчет сопротивления нагрузки для некоторых сопротивлений падающему току

Однако наша схема регулятора с понижающим резистором 100 кОм должна быть подходящей для некоторого значения сопротивления нагрузки. Чтобы найти это приемлемое значение сопротивления нагрузки, мы можем использовать таблицу для расчета сопротивления в последовательной цепи с двумя резисторами (без диода), вставив известные значения общего напряжения и сопротивления падающего резистора и рассчитав ожидаемое напряжение нагрузки 12,6 В. :

При общем напряжении 45 В и нагрузке 12,6 В у нас должно быть 32,4 В на R _drop. :

При 32,4 В на падающем резисторе и сопротивлении 100 кОм ток через него будет 324 мкА:

Поскольку это последовательная цепь, ток одинаков во всех компонентах в любой момент времени:

Расчет сопротивления нагрузки теперь является простым делом закона Ома (R =E / I), что дает нам 38,889 кОм:

Таким образом, если сопротивление нагрузки равно 38,889 кОм, на нем будет 12,6 вольт, диод или нет диода. Любое сопротивление нагрузки менее 38,889 кОм приведет к напряжению нагрузки менее 12,6 В, диод или отсутствие диода. При установленном диоде напряжение нагрузки будет регулироваться максимум до 12,6 В при любом большем сопротивлении нагрузки. чем 38,889 кОм.

При исходном значении падающего резистора 1 кОм наша схема регулятора смогла адекватно регулировать напряжение даже при сопротивлении нагрузки всего 500 Ом. Мы видим компромисс между рассеиваемой мощностью и допустимым сопротивлением нагрузки. Понижающий резистор большего номинала дал нам меньше рассеиваемой мощности за счет повышения допустимого минимального значения сопротивления нагрузки. Если мы хотим регулировать напряжение для низких сопротивлений нагрузки, схема должна быть подготовлена к более высокому рассеиванию мощности.

Как стабилитрон регулирует напряжение

Стабилитроны регулируют напряжение, действуя как дополнительные нагрузки, потребляя больше или меньше тока по мере необходимости, чтобы гарантировать постоянное падение напряжения на нагрузке. Это аналогично регулированию скорости автомобиля путем торможения, а не путем изменения положения дроссельной заслонки:это не только расточительно, но и тормоза должны быть сконструированы так, чтобы справляться со всей мощностью двигателя, когда условия движения этого не требуют.

Несмотря на эту фундаментальную неэффективность конструкции, схемы стабилизаторов на стабилитронах широко используются благодаря своей простоте. В приложениях с большой мощностью, где неэффективность недопустима, применяются другие методы регулирования напряжения. Но даже в этом случае небольшие схемы на основе стабилитронов часто используются для обеспечения «эталонного» напряжения для управления более эффективной схемой усилителя, управляющей основной мощностью.

Стандартные напряжения стабилитрона

Стабилитроны производятся со стандартными номинальными напряжениями, указанными в таблице ниже. В таблице «Общие напряжения стабилитронов» указаны стандартные напряжения для компонентов мощностью 0,3 и 1,3 Вт. Мощность соответствует размеру кристалла и корпуса и представляет собой мощность, которую диод может рассеять без повреждений.

Стандартные напряжения стабилитрона

0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V15V22V43V

Ограничитель стабилитрона . Схема ограничения, которая фиксирует пики формы волны примерно при напряжении стабилитрона диодов. В схеме на рисунке ниже два стабилитрона соединены последовательно друг с другом, чтобы симметрично ограничить форму волны почти при напряжении стабилитрона. Резистор ограничивает ток, потребляемый стабилитронами, до безопасного значения.

 * SPICE 03445.eps D1 4 0 диод D2 4 2 диода R1 2 1 1.0k V1 1 0 SIN (0 20 1k) .model diode d bv =10 .tran 0.001m 2m .end

Ограничитель стабилитрона:

Напряжение пробоя стабилитрона для диодов устанавливается равным 10 В параметром модели диода «bv =10» в списке spice net на рисунке выше. Это приводит к срезанию стабилитронов при напряжении около 10 В. Вставные диоды срезают оба пика. Для положительного полупериода верхний стабилитрон смещен в обратном направлении, выходя из строя при напряжении стабилитрона 10 В. Нижний стабилитрон падает примерно на 0,7 В, поскольку он смещен в прямом направлении. Таким образом, более точный уровень отсечения составляет 10 + 0,7 =10,7 В. Аналогичное отрицательное ограничение полупериода происходит при -10,7 В. (рисунок ниже) показывает уровень ограничения при чуть более ± 10 В.

Ограничитель стабилитрона:вход v (1) ограничивается формой волны v (2).

ОБЗОР:

Стабилитроны предназначены для работы в режиме обратного смещения, обеспечивая относительно низкий стабильный пробой, или стабилитрон . напряжение, при котором они начинают проводить значительный обратный ток.
Стабилитрон может работать как регулятор напряжения, действуя как дополнительная нагрузка, потребляя больше тока от источника, если напряжение слишком высокое, и меньше, если оно слишком низкое.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ: