Стабилитроны | Основы электроакустики

Главная

Стабилитроны

К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n переходов: управляемая полупроводниковая емкость – варикапы; лавинный пробой – стабилитроны; туннельный эффект – туннельные и обращенные диоды; фотоэффект – фотодиоды; фотонная рекомбинация носителей зарядов – светодиоды; многослойные диоды – динисторы; приборы на переходе металл – полупроводник – диоды Шоттки. Кроме того, к диодам относят некоторые типы приборов с тремя выводами, такие как тиристоры. Рассмотрим наиболее часто применяемые диоды – стабилитроны и варикапы.

Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, работающие в области лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление.

Если в режиме пробоя мощность, рассеиваемая на нем, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать неограниченно долго. На рис.выше показано схемотехническое обозначение стабилитрона, а на рис.ниже приведена его вольтамперная характеристика.

Основными параметрами стабилитронов являются:

• напряжение стабилизации номинальное UСТ;
• напряжение стабилизации минимальное UСТ. мин;
• напряжение стабилизации максимальное UСТ. макс;
• дифференциальное сопротивление RСТ;
• температурный коэффициент напряжения стабилизации αСТ;
• минимальный ток стабилизации IСТ. мин;
• максимальный ток стабилизации IСТ. макс;
• рассеиваемая мощность PРАС.   

   ВАХ стабилитрона  Чаще всего стабилитрон используется для стабилизации постоянного напряжения. Для оценки стабильности схемы используется такой параметр, как дифференциальное сопротивление стабилитрона. Этот параметр измеряется в единицах сопротивления и во многих расчетах играет роль сопротивления. Дифференциальное сопротивление равно отношению изменения приложенного напряжения к соответствующему изменению тока через схему. Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и соответственно тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Простейшая схема стабилизатора напряжения (рис.4.15) включает в себя балластный резистор R0, стабилитрон VD и нагрузку RН, напряжение на которой требуется поддерживать постоянным.

Если изменится входное напряжение UВХ, то это приведет к изменению тока через стабилитрон VD, при этом изменяется сопротивление стабилитрона и соответственно изменится падение напряжения на резисторе R0, в результате чего произойдет компенсация изменения UВХ. 

Стабилизатор напряжения.  Для установления и поддержания правильного режима стабилизации сопротивление R0  должно иметь определенное значение, которое обычно рассчитывают для средней точки вертикального участка рабочей ветви ВАХ стабилитрона.

Также необходимо учитывать, чтобы при любом возможном изменении входного напряжения ток через стабилитрон находился на вертикальном участке ВАХ. Рассмотрим основные параметры стабилитронов. Напряжение стабилизации может изменяться примерно от 3 до 200В, изменение тока стабилитрона от Iмин до Iмакс составляет десятки и даже сотни миллиампер. Максимальная допустимая мощность, рассеиваемая на стабилитроне – от сотен милливатт до единиц ватт. Дифференциальное сопротивление RДв режиме стабилизации может быть от десятых долей Ома для низковольтных мощных стабилитронов до 200 Ом для стабилитронов на более высокие напряжения. Низковольтные стабилитроны малой мощности имеют сопротивление RД от единиц до десятков Ом. Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи (рис.4.16). Вследствие разброса характеристик и параметров у отдельных экземпляров стабилитронов данного типа их параллельное соединение с целью получения больших токов не рекомендуется.

Последовательное включение стабилитронов  Для повышения стабильности напряжения может применяться схема каскадного соединения стабилитронов , в которой стабилитрон VD1 должен иметь более высокое напряжение стабилизации, чем стабилитрон VD2. Эффективная стабилизация характеризуется коэффициентом стабилизации КСТ, который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе. Для простейшей схемы на рис.4.15 можно записать:  КCТ = (ΔUВХ / UВХ) / (ΔUВЫХ / UВЫХ). 

Каскадное включение стабилитронов  Практически полупроводниковый стабилитрон может обеспечить КСТ, равный нескольким десяткам. А при каскадном соединении (рис. 4.17) общий коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации отдельных звеньев:  КСТ = КСТ1∙КСТ2∙…∙КСТN     и уже при двух звеньях составляет несколько сотен.

Недостатком рассматриваемых схем является то, что потери мощности в самом стабилитроне и на R0 велики, особенно в схемах каскадного соединения. Другой недостаток – схема не стабилизирует выходное напряжение при изменении сопротивления нагрузки и при изменении параметров самого стабилитрона.

 

Типы стабилитронов

Линейные стабилизаторы напряжения

Напряжение, ток, мощность

Нелинейные преобразователи на ОУ

Импульсные стабилизаторы напряжения

Стабилизация тока покоя в транзисторных каскадах

Туннельные и обращенные диоды

Импульсное напряжение

Дифференциальное сопротивление RДИФ выпрямительного диода в двух рабочих точках, страница 3

Физика \ Физика

Рисунок. 1.4 – Основные параметры стабилитрона

Uст - напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при протекании номинального тока;

∆Uст.ном — разброс номинального значения напряжения стабилизации, отклонение напряжения на стабилитроне от номинального значения;

R

диф. ст - дифференциальное сопротивление стабилитрона, отношение приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот;

α_СТ — температурный коэффициент напряжения стабилизации, отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации.

Максимально допустимые параметры. К ним относятся: максимальный Iст.max, минимальный Iст.min токи стабилизации, максимально допустимый прямой ток

Imax, максимально допустимая рассеиваемая мощность Pmax.

Принцип работы простейшего полупроводникового стабилизатора напряжения рисунок 1.5 основан на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики стабилитронов (рисунок 1.3). Простейший полупроводниковый стабилизатор представляет собой делитель напряжения, состоящий из ограничительного резистора Rогр и кремниевого стабилитрона VD. Нагрузка Rн подключается к стабилитрону.

В этом случае напряжение на нагрузке равно напряжению на стабилитроне

U_RН  =  U_VD  =  U_СТ =  5,6 В                                         (1.10)

а входное напряжение распределяется между Rогр и VD

U_ВХ   =  U_RОГР  +  U_СТ                                             (1.11)

Ток через Rогр согласно первому закону Кирхгофа равен сумме токов нагрузки и стабилитрона

I_RОГР  = I_СТ  + I_Н                                                      (1.12)

Величина Rогр выбирается таким образом, чтобы ток через стабилитрон был равен номинальному, т. е. соответствовал середине рабочего участка.

I_СТ.НОМ  = ( I_СТ.МИН + I_{СТ.МАКС} ) / 2 = (3+139)/2=71 mA                  (1.13)

Согласно условию задачи выберем стабилитрон типа КС456А. Стабилитроны КС456А кремневые, диффузионно-сплавные, средней мощности. Предназначены для стабилизации номинального напряжения 5,6 В в диапазоне токов стабилизации 3…139 мА. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Корпус стабилитрона в рабочем режиме служит положительным электродом (анодом). В таблице 5 приведены параметры стабилитрона.

Таблица 1.1 – Основные технические параметры стабилитрона:

Предельные значения параметров при Т=25°С			Значения параметров при Т=25°С						Тк. мах (Тп.) °С
Uст.ном. B	Iст.ном. mA	Рмакс. mBt	Uстмин В	Uстмакс В	rст. Oм	aст. 10-2%/°С	Iстмин mA	Iстмакс mA
5,6	30,0	1000	5,04	6,16	12,0	5,0	3,0	139	125

— напряжение стабилизации U_СТ = 5. 6 В;

— разброс напряжения стабилизации -4..6%;

— минимальный ток стабилизации I_СТ.МИН = 30 мА;

— максимальный ток стабилизации I_{СТ.МАКС} = 139 мА

— дифференциальное сопротивление R_Д = 12 Ом;

— максимально допустимая рассеиваемая мощность P_СТ = 0.15 Вт.

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ h- ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

На практике часто пользуются вторичными параметрами транзисторов, характеризующими его как активный линейный четырехполюсник, т.е. прибор, имеющий два входных и два выходных зажима (рисунок 2.1). Вторичные параметры связывают друг с другом входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд малых приращений тока и напряжения. Поэтому их называют низкочастотными малосигнальными параметрами.

 

U1

Uбэ

Рисунок 2. 1 – Линейные четырехполюсники биполярного транзистора

Линейный четырехполюсник характеризуется двумя уравнениями, взаимно связывающими токи и напряжения на входе и выходе. Можно составить шесть пар таких уравнений, определяющих шесть различных систем параметров. В транзисторной технике наиболее широкое распространение получила система h-параметров.

Скачать файл

Не так и сложен стабилитрон, хотя не так и прост

07.03.2022

Эта статья была мной ранее (24 августа 2020 года) опубликована на канале Разумный мир в Яндекс.Дзен. Однако, последние изменения в Дзен привели к необходимости переноса статей на другие ресурсы. Статья публикуется с небольшими изменениями.

Сегодня выпускается много разных интегральных линейных стабилизаторов напряжения и кажется, что обычные стабилитроны отошли на второй план. А если все таки нужен стабилитрон, то можно взять TL431. Так? Не совсем так. Стабилитроны по прежнему используют, хоть область их применения и сузилась. А TL431, при всех его плюсах, иногда бывает избыточен. Да и стоит дороже, что иногда бывает важным. Но сегодняшняя статья не об этом. Мы оставим в стороне споры о том, стоит ли использовать стабилитроны, как они работают, как устроены. Поговорим о некоторых практических аспектах их применения.

Это статья из серии «электроника для начинающих». Опытные любители электроники вряд ли найдут здесь для себя что то полезное или интересное. А профессионалам она точно будет не интересна. Для понимания статьи достаточно знаний школьной программы в физике и математике.

Казалось бы, зачем снова рассказывать о том, что «устарело» и «давно всем известно»? Однако, как показывает практика, известно все таки не всё и не всем. И у новичков неизменно возникает множество вопросов. Особенно у тех, кто хочет достичь понимания, а не довольствуется чтением статей вроде «как рассчитать балластный резистор для стабилитрона». Да и не устарели стабилитроны. Давайте попробуем разобраться в некоторых особенностях применения стабилитронов. Без высшей математики и физики полупроводников, но относительно подробно. Сразу уточню, что описываемое в статье применимо и для стабилитронов, и для стабисторов, и даже для TL431. И даже для защитных TVS диодов.

Небольшое примечание по стабисторам. В этих диодах рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ. И отсутствует обратимый пробой. За исключением этого нюанса, описанное в статье применимо и к стабисторам.

Стандартная схема включения стабилитрона и типичные советы по расчету балластного сопротивления

Не сомневаюсь, что вы уже много раз видели эту схему и можете нарисовать ее с закрытыми глазами. Но нам все таки нужно от чего то отталкиваться, что бы разговор был предметный.

Поскольку схема совершенно стандартная, я не буду ее подробно описывать. Но нам потребуется тот факт, что потребляемый от источника напряжения Е ток равен сумме тока через стабилитрон и тока нагрузки. Исходя из этого обычно приводят формулу для расчету сопротивления балластного резистора

В этой формуле все верно. Просто записанная в таком виде она многое не учитывает. Напряжение источника E, напряжение стабилизации стабилитрона Uст, ток нагрузки Iн считаются известными и заранее заданными. А вот ток через стабилитрон Iст предлагается выбирать. Тут то у новичков и возникают вопросы. И ответ на вопрос, а какой же ток выбрать, не так прост, как кажется на первый взгляд. Да, можно просто сказать, например, 3-5 мА будет хорошим выбором. И у новичка тут же возникает еще один вопрос, а почему именно такой ток?

Вполне закономерный вопрос. К тому же, такой простой совет может быть и неверным. Хотите примеры? Для Д815 (буква нам сейчас не важна) такой ток будет недопустимо малым. Для этих стабилитронов нужно выбирать ток не менее 300 мА. Зачем ворошить прошлое и вспоминать такие раритеты? Вот вам пример посвежее. Для 1SMA5918BT3G нужен ток не менее 65 мА. Что бы понять, почему так происходит мы должны повнимательнее посмотреть на ВАХ (вольт-амперную характеристику) стабилитронов и разобраться с понятием дифференциального сопротивления. Для начала.

Вольт-амперная характеристика и дифференциальное сопротивление

Давайте нарисуем рабочую ветвь ВАХ упрощенно, в более крупном масштабе, и без учета знаков тока и напряжения. Пропорции так же не соблюдаются. Разными цветами показаны три основных области.

В области обратно-смещенного перехода стабилитрон ведет себя как обычный диод при подаче обратного напряжения. У стабисторов рабочей является не обратная, а прямая ветвь ВАХ, поэтому на ВАХ будет не область обратно-смещенного перехода, а область прямо-смещенного перехода при малых напряжениях. Понятно, что эта область не является рабочей для стабилитронов, а значит и интереса для нас не представляет. В справочных данных на стабилитроны обычно приводится значение обратного тока Iобр при определенном напряжении Uобр.

В переходной области начинают проявляться эффекты связанные с обратимым пробоем. Часто считается, что пробой возникает мгновенно, однако это не так. Переходная область может быть довольно большой, например, у низковольтных стабилитронов. В качестве отдельного участка ВАХ эту область выделяют не всегда.

Рабочая область является основной используемой, как и следует из ее названия. Я показал ее почти линейной, но в реальности линейной она не является. Именно в этой области находится точка, которая в справочных данных соответствует паспортному значению напряжения стабилизации Uст при определенном токе через стабилитрон Iст. Для рабочей области определяются еще две точки. Первая соответствует минимальному току Iстмин через стабилитрон, при котором рабочая точка еще находится в рабочей области. Вторая соответствует максимальному току Iстмакс через стабилитрон, при котором рассеиваемая стабилитроном мощность не превышает предельной. Понятно, что ток Iст через стабилитрон должен лежать в пределах между Iстмин и Iстмакс. Но обратите внимание, что я показал рабочую область не строго вертикальной. И это соответствует реальности. Напряжение стабилизации зависит от тока через стабилитрон. Причем зависит нелинейно даже в рабочей области, в общем случае.

Обратите внимание, что на графике ВАХ координатные оси это напряжение и ток. А значит, прямая линия, проходящая через начало координат, будет соответствовать постоянному сопротивлению. Конечно не любая линия, а та, для которой положительное приращение тока соответствует положительному приращению напряжения. А если это не прямая линия, а кривая? Как наша ВАХ. Как вы знаете, кривую можно аппроксимировать отрезками прямых. Да, не только прямых, но давайте это не будем рассматривать, нам это не потребуется. Каждый отрезок прямой определяется по двум точкам, (U0,I0) и (U1,I1), лежащими на концах аппроксимируемого отрезка кривой. Теперь мы можем ввести понятие дифференциального (разностного сопротивления).

Дифференциальное сопротивление можно определить для каждой точки ВАХ. Если дифференциальное сопротивление определяется не на постоянном, а на переменном токе, то его физический смысл не изменяется, но при этом его чаще называют динамическим сопротивлением. Давайте еще раз посмотрим на наш пример ВАХ

Хорошо видно, что для точки (U1,I1) дифференциальное сопротивление больше, чем для точки (U2,I2). А это означает, что небольшие отклонения тока через стабилитрон во второй точке дадут меньшие отклонения напряжения стабилизации, чем в первой точке. Что это для нас означает? Скоро узнаете. Но сначала давайте посмотрим на ВАХ реально выпускаемых стабилитронов BZX84.

Здесь показаны кривые для стабилитронов с разным напряжением стабилизации. В документации приводятся напряжения стабилизации при токе через стабилитрон (тестовый ток) 5 мА, что показано на иллюстрации горизонтальной линией. Очень хорошо видно, что низковольтные стабилитроны имеют большее дифференциальное сопротивление (для BZX84 это динамическое сопротивление на частоте 1кГц). А это значит, гораздо большую зависимость напряжения стабилизации от тока через стабилитрон.

Немного подробнее о стабилизации

Давайте вспомним типовую схему включения стабилитрона, которая приводилась в начале статьи. В общем случае, у нас может изменяться напряжение источника Е и ток нагрузки. При этом напряжение на нагрузке должно, в идеальном случае, оставаться неизменным. Это и есть стабилизация. Мы можем ввести понятия коэффициента стабилизации и внутреннего сопротивления стабилизатора напряжения на стабилитроне

Коэффициент стабилизации показывает влияние изменения входного напряжения на напряжение стабилизации, а выходное сопротивление влияние изменения тока нагрузки.

Давайте рассмотрим сначала влияние изменения входного напряжения при постоянной нагрузке. Для этого вспомним, что ток через стабилитрон равен разности потребляемого от источника Е тока и тока нагрузки. Ток нагрузки у нас постоянный. Поэтому изменение входного напряжения повлияет только на ток через стабилитрон. Для упрощения предположим, что стабилитрон идеальный, а значит его напряжение стабилизации не изменится. Поэтому

Теперь вспомнив, что такое дифференциальное сопротивление, мы можем определить изменение напряжения стабилизации соответствующее изменению входного напряжения.

Собственно говоря, мы подтвердили ранее сделанное утверждение, что чем больше дифференциальное сопротивление, тем больше влияние изменения тока через стабилитрон, а значит, и влияние изменений входного напряжения. Тем меньше коэффициент стабилизации.

Давайте немного посчитаем для реального стабилитрона BZV55C5V1 с напряжением стабилизации 5.1 В при токе 5 мА. Пусть у нас входное напряжение будет 10 В, а ток нагрузки равен 0.5 мА. Сопротивление балластного резистора при этом будет равняться 890 Ом. Предположим, что входное напряжение увеличилось на 2 В, на сколько увеличится напряжение стабилизации (выходное напряжение)? Типовое значение дифференциального сопротивления для BZV55C5V1 при токе 5 мА составляет 40 Ом. То есть, выходное напряжение изменится на 0.09 В. В худшем случае, если дифференциальное сопротивление будет равно 60 Ом, изменение составит уже 0.135 В. Даже в худшем случае изменение составит лишь 2.65% от номинального выходного напряжения.

А теперь посмотрим, что будет, если мы выберем ток через стабилитрон равным не 5, а 1 мА. Для этого сопротивление балластного резистора должно равняться 3.27 кОм. Типовое дифференциальное сопротивление стабилитрона при этом токе будет равняться 400 Ом (480 Ом максимум). Теперь у нас выходное напряжение изменится на 0.24 В (0.29 В в худшем случае). А это уже 4.71% (5.69% в худшем случае).

То есть, от выбора рабочего тока через стабилитрон весьма существенно зависит стабильность напряжения стабилизации. При токе 5 мА у нас получается коэффициент стабилизации 7.56, а при токе 1 мА лишь 3.52. Если мы будет рассматривать влияние тока нагрузки, то придем к таким же выводам. Я не буду приводить формулы и расчеты, вы можете сделать это самостоятельно, в качестве упражнения.

Теперь стало понятно, что ток через стабилитрон нужно выбирать с учетом дифференциального сопротивления. Слишком малый ток снижает стабильность напряжения стабилизации. Если сейчас вспомнить приведенный в начале статьи пример про стабилитрон 1SMA5918BT3G, то из его паспортных данных (динамическое сопротивление 4 Ом при токе 73.5 мА и 350 Ом при 1 мА) будет понятно, что стандартно советуемый ток 5 мА будет для него слишком мал. А вот для BZV55C5V1 он вполне подходит.

В общем случае, дифференциальное сопротивление стабилитрона должно быть много меньше балластного сопротивления и много меньше сопротивления нагрузки. Это создает проблемы при входном напряжении близком к напряжению стабилизации. В таких случаях поможет использование TL431, который имеет дифференциальное сопротивление 0.2 Ом (0.5 Ом в худшем случае). Однако, тут есть ограничение минимального напряжения стабилизации на уровне 2.5 В. Проблема с малым сопротивлением нагрузки может быть решена использованием, например, эмиттерного повторителя. Что приводит нас к стандартной схеме простейшего последовательного стабилизатора. Без сомнения, вы эту схему отлично знаете.

Осталось сказать несколько слов о старых советских стабилитронах. Для них приводилось дифференциальное сопротивление для определенного тока через стабилитрон, что позволяло оценить коэффициент стабилизации. И иногда задавался минимальный ток стабилизации (во всяком случае, в отраслевых справочниках такое было).

Еще раз о расчете балластного сопротивления

Теперь мы лучше представляем себе выбор оптимального тока через стабилитрон. Но расчет балластного сопротивления все еще не учитывает некоторые, довольно важные, факторы. Во первых, изменение входного напряжения. Если входное напряжение постоянно, то нет и необходимости в стабилизации. Во вторых, изменение тока нагрузки. Ток нагрузки может быть постоянным, или может считаться таковым. Например, если стабилитрон используется в качестве источника опорного напряжения для компаратора, то током нагрузки можно вообще пренебречь.

Что бы учесть влияние этих факторов нестабильности на работу стабилитрона (не на коэффициент стабилизации!) необходимо после расчета балластного сопротивления для номинального входного напряжения и номинального тока нагрузки провести дополнительную проверку.

Максимальный ток через стабилитрон будет при минимальном токе нагрузки и максимальном входном напряжении. Нужно проверить, что бы ток через стабилитрон для выбранного Rб не превышал максимально допустимого. Причем с некоторым запасом. Минимальный ток через стабилитроне будет при минимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки. Нужно проверить, что бы ток через стабилитроне не был меньше минимального тока стабилизации. Другими словами, что бы рабочая точка находилась в рабочей области, а дифференциальное сопротивление было достаточно малым.

Улучшения/ухудшения

Разумеется, стандартную схему параметрического стабилизатора на стабилитроне не раз пытались улучшить. Пожалуй, наиболее известно предложение вместо Rб использовать стабилизатор тока. Например, заменив резистор на полевой транзистор с p-n переходом включенный как двухполюсник. Вы без сомнения видели подобные схемы не один раз. Идея здесь проста — стабилизатор тока позволяет обеспечить заданный ток, а его дифференциальное сопротивление велико. Это существенно повышает коэффициент стабилизации. Собственно, тут не важно, какой именно стабилизатор тока используется, вполне можно использовать и токовое зеркало.

Но не стоит забывать, что это отнюдь не универсальный способ повышения коэффициента стабилизации. Он хорошо работает при стабильной нагрузке, но может катастрофически ухудшить ситуацию при переменной нагрузке. Поскольку стабилизатор тока в этом случае может стать дополнительным дестабилизирующим фактором. Подумайте, почему, и в каких ситуациях, это может произойти.

ТКН (температурный коэффициент напряжения)

Напряжение стабилизации, как и следовало ожидать, зависит от температуры. Для низковольтных стабилитронов ТКН обычно отрицательный. То есть, напряжение стабилизации снижается с ростом температуры. Для высоковольтных стабилитронов ТКН обычно положительный. Но у стабилитронов есть и островок стабильности, который расположен примерно вокруг напряжения стабилизации 5.5 В. Выпускаются и термостабильные стабилитроны, которые можно использовать при работе в большом диапазоне температур.

Но нужно учитывать еще один момент, о котором нередко забывают. Стабилитрон при работе нагревается от рассеиваемой им мощности. Причем температура кристалла может быть ощутимо выше температуры корпуса. А это приводит к дополнительному изменению напряжения стабилизации.

Заключение

Пожалуй, на сегодня достаточно. Я коснулся, упрощенно, очень небольшой части касающихся использования стабилитронов вопросов. Той части, которая наиболее важна для новичков и в части практического использования, и для понимания работы стабилитронов. Остались в стороне вопросы частотных свойств, емкости, временной стабильности. Остались в стороне интересные варианты схем включении. Например, когда выходным напряжением является не напряжение на стабилитроне, а напряжение на балластном резисторе. Остались в стороне не стандартные варианты использования стабилитронов. Например, в качестве варикапов для настройки колебательных контуров приемников.

Стабилитрон это простой и дешевый электронный прибор, который имеет массу разных применений. Но за этой простотой скрывается не мало тонкостей, которые нужно учитывать.

---

Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме

Что такое динамическое сопротивление диода?

Что такое динамическое и статическое сопротивление диода?

Из приведенного графика статическое сопротивление = Rs = . Это сопротивление называют статическим сопротивлением диода с p-n переходом при прямом смещении. Динамическое сопротивление- Если. переменное напряжение подается на диод с p-n переходом, затем по цепи протекает переменный ток.

Какова формула динамического сопротивления?

Сопротивление переменному току или динамическое сопротивление могут быть отрицательными, если изменение напряжения или тока находится на отрицательной стороне шкалы. R = dv/di , где dv = изменение напряжения и di = изменение тока.

Что такое динамическое сопротивление?

Динамическое сопротивление используется для количественной оценки сопротивления неомических материалов . Он определяется как отношение дифференциального изменения напряжения к дифференциальному изменению тока. … Динамическое сопротивление само по себе является функцией тока (или напряжения) через материал неомического проводника.

Каковы динамические характеристики диода?

Основными динамическими характеристиками диодов являются время обратного восстановления trr и статическая емкость Ct. 8 сентября 2016 г.

Связанные

В чем разница между статическим и динамическим сопротивлением?

Статическое сопротивление при постоянном напряжении и динамическое сопротивление при переменном напряжении. Динамическое сопротивление, также называемое сопротивлением переменному току. Статическое сопротивление при постоянном напряжении и динамическое сопротивление при переменном напряжении. Динамическое сопротивление, также называемое сопротивлением переменному току.

Связанные

Как динамическое сопротивление диода зависит от температуры?

Концепция: Динамическое сопротивление можно определить по ВАХ диода при прямом смещении. Оно определяется как отношение малого изменения напряжения к малому изменению тока, т.е. ∴ Динамическое сопротивление диода прямо пропорционально температуре .

Связанные

Что такое динамическое сопротивление стабилитрона?

Для стабилитрона это характеристика в режиме обратного пробоя, который является его нормальным рабочим режимом. Для небольшого выпрямительного диода (1N4005) от 0,8 А до 1 А динамическое сопротивление составляет около 0,25 Ом .

Связанные

Как рассчитать динамическое входное сопротивление?

Примечание:- динамическое входное сопротивление, ri=(ΔVBEΔIB)VCE=константа .15 декабря 2020 г.

Связанные

Как рассчитать динамическое прямое сопротивление?

Противодействие диода постоянному току, протекающему в прямом направлении, известно как его прямое сопротивление постоянному току или статическое сопротивление. измеряется , взяв отношение постоянного напряжения на диоде к постоянному току, протекающему через него .

Связанные

Что такое динамическая поддержка и сопротивление?

Динамические уровни поддержки и сопротивления или области, где рынок может откатиться и найти поддержку без необходимости находиться на горизонтальном уровне поддержки или сопротивления . Это происходит потому, что: 1) Рынок развивается, и иногда интерес к покупке/продаже меняется не на заранее запланированных уровнях.

Родственный

Что такое тренировка с динамическим сопротивлением?

Не вдаваясь в технические подробности, динамическое сопротивление — это метод фитнес-тренировки, при котором вы должны визуализировать некую противодействующую силу, воздействующую на мышцу или группу мышц, которую вы тренируете . Например, скажем, вы хотите поднять руку сбоку. 4 февраля 2020 г.

Похожие

Каково время перехода диода?

Время перехода время, необходимое диоду, чтобы полностью перейти в состояние разомкнутой цепи . После t3 диод будет находиться в установившемся режиме обратного смещения. До t1 диод находится в установившемся режиме прямого смещения. Принимая во внимание, что для перехода в состояние «ВКЛ» из «ВЫКЛ» требуется меньше времени, называемого временем восстановления в прямом направлении.

Связанные

Каково сопротивление идеального диода?

Подсказка: Идеальный диод имеет нулевое сопротивление при прямом смещении и бесконечное сопротивление при обратном смещении.

Связанные

Каким должно быть сопротивление диода?

• Сопротивление является противодействием протеканию тока через устройство. Следовательно, сопротивление диода можно определить как эффективную оппозицию, предлагаемую диод к потоку тока через него. В идеале ожидается, что диод будет иметь нулевое сопротивление при прямом смещении и бесконечное сопротивление при обратном смещении.

Родственные

Что такое постоянное сопротивление диода?

• Статика или DC Вперед Сопротивление Оппозиция, предлагаемая диод к условию прямого смещения постоянного тока, известному как его прямое постоянное сопротивление или статическое сопротивление . Он измеряется отношением постоянного напряжения на диоде к постоянному току, протекающему через него. Прямая характеристика диода и показана ниже:

Родственный

Что означает прямое и обратное сопротивление диода?

• Если диод имеет прямую проводимость, сопротивление равно нулю , а прямое падение напряжения является постоянным Vf. Если диод находится в обратной проводимости, сопротивление равно нулю, а обратное падение напряжения постоянно (Vr). Диоды (обычные диоды) Диоды пропускают ток только в прямом направлении.

Родственные

Что такое среднее сопротивление диода?

• Сопротивление диода переменному току увеличивается за счет снижения рабочей точки добротности. Короче говоря, это эквивалентно наклону напряжения — тока PN-диода. Если входного сигнала достаточно, чтобы произвести большое колебание, то сопротивление, относящееся к диоду для этой области, называется средним сопротивлением переменного тока .

общий Информация СМИ Нажмите галерея иллюстрация

Поделиться этой записью:

Какова формула динамического сопротивления диода? – Raiseupwa.

com

Какова формула динамического сопротивления диода?

Диод имеет следующие характеристики: пороговое напряжение V0 = 0,6 В, прямое динамическое сопротивление Rd = 0 и бесконечное обратное сопротивление.

Каково типичное сопротивление диода?

Сопротивление нормального диода при прямом смещении должно составлять от 1000 Ом до 10 МОм. Измерение сопротивления высокое, когда диод смещен в прямом направлении, потому что ток от мультиметра протекает через диод, вызывая измерение высокого сопротивления, необходимое для тестирования.

Какова формула динамического сопротивления?

Сопротивление переходного диода зависит от приложенного напряжения. в таких случаях полезно определить величину, называемую динамическим сопротивлением диода. Это отношение небольшого изменения приложенного напряжения ΔV к соответствующему изменению тока ΔI. Он определяется как Rd = ΔV/ΔI.

Что такое динамическое сопротивление?

Динамическое сопротивление используется для количественной оценки сопротивления неомических материалов. Он определяется как отношение дифференциального изменения напряжения к дифференциальному изменению тока. Динамическое сопротивление само по себе является функцией тока (или напряжения) через материал неомического проводника.

Что такое динамическое сопротивление стабилитрона?

Zz = импеданс / сопротивление переменному току. У стабилитрона есть внутреннее сопротивление, представьте себе, что это последовательный резистор внутри диода. Это динамическое сопротивление — оно меняется в зависимости от тока, температуры и т. д. Мощность — помните, что ваш стабилитрон нагревается в зависимости от рассеиваемой мощности, как, скажем, линейный регулятор напряжения!

Что такое статическое и динамическое сопротивление диода?

Ответ: Статическое сопротивление: Сопротивление диода с p-n переходом, когда он подключен к цепи постоянного тока, называется статическим сопротивлением. (ИЛИ) Это отношение постоянного напряжения, приложенного к диоду. Динамическое сопротивление диода — это отношение изменения напряжения к изменению тока.

В чем разница между диодом и сопротивлением?

Ключевое отличие: диод — это тип электрического устройства, которое позволяет току проходить через него только в одном направлении. Резистор — это электрический компонент, который используется для обеспечения сопротивления току в цепи. В основном они используются для производства тепла или света.

Имеют ли диоды высокое сопротивление?

Диод имеет очень высокое сопротивление в одном направлении. Это означает, что ток может течь только в другом направлении.

Можно ли иметь отрицательное сопротивление?

Невозможно получить отрицательное сопротивление с чисто пассивными компонентами. Мы можем видеть это из термодинамики. Обычный (положительный) резистор отдает тепло в окружающую среду — напряжение, умноженное на ток, дает нам рассеиваемую мощность. Отрицательный резистор должен будет поглощать тепло и превращать его в электрическую энергию.

Что понимают под статическим и динамическим сопротивлением?

Статическое сопротивление — это нормальное омическое сопротивление в соответствии с законом Ома. Это отношение напряжения и тока, которое является постоянным при данной температуре. Динамическое сопротивление относится к изменению тока в ответ на изменение напряжения в определенной области кривой VI.

Что такое сопротивление Зенера?

Полное сопротивление Зенера — это эквивалентное последовательное сопротивление стабилитрона, когда он проводит ток. Он рассчитывается как изменение напряжения Зенера, ΔVZ, которое происходит в результате незначительного изменения тока Зенера, ΔIZ. Импеданс Зенера в идеале должен быть равен нулю, но на самом деле стабилитрон имеет некоторое сопротивление.

Что такое постоянное сопротивление диода?

Постоянное или статическое сопротивление Статическое сопротивление или сопротивление постоянному току диода с PN-переходом определяет резистивный характер диода, когда к нему подключен источник постоянного тока. Если внешнее постоянное напряжение подается на цепь, частью которой является полупроводниковый диод, это приводит к появлению Q-точки или рабочей точки на характеристической кривой диода с PN-переходом, которая не меняется со временем.

Каково среднее сопротивление диода?

Сопротивление диодов рассчитывается по следующей формуле: Сопротивление диода равно тепловому напряжению VT, деленному на ток Id, проходящий через диод. Тепловое напряжение диода составляет примерно 25 мВ при температуре 300 К, что очень близко к комнатной температуре.

Преобразует ли диод сигнал постоянного тока в переменный?

Диод пропускает ток в одном направлении. Диодное выпрямление можно использовать для преобразования сигнала переменного тока в сигнал постоянного тока. Другое использование диода — защита цепи для предотвращения подключения обратной полярности (+ и — наоборот). Другие применения могут быть для подавления перенапряжений на индуктивных нагрузках, таких как реле.

Каково сопротивление стабилитрона?

Каково сопротивление стабилитрона? Полное сопротивление Зенера — это эквивалентное последовательное сопротивление стабилитрона, когда он проводит ток. Он рассчитывается как изменение напряжения Зенера, ΔV Z, которое происходит в результате незначительного изменения тока Зенера, ΔI Z. Импеданс Зенера в идеале должен быть равен нулю, но в действительности стабилитрон имеет некоторое сопротивление.

Стабилитроны Основные операции и уравнения

Оглавление

Стабилитроны

Это сильнолегированный PN-переход с обратным смещением, изготовленный из кремния или германия и работающий в области пробоя (или в точке Зенера), где избыточный ток удерживается через внешнее сопротивление, а также внутренняя потеря мощности внутри диода. Кремний предпочтительнее германия из-за его сильноточных и высокотемпературных свойств. Другими словами, стабилитрон — это диод, который нормально работает в области пробоя (напомним, что из-за возможных недостатков выпрямительного диода его никогда специально не используют в области пробоя). Напряжение пробоя стабилитрона очень точно устанавливается путем контроля уровня легирования. Стабилитрон чаще всего применяется в схемах стабилизаторов напряжения. В таких цепях постоянное напряжение нагрузки практически остается постоянным, несмотря на колебания линейного напряжения или сопротивления нагрузки.

Эффект Зенера и лавинный эффект возникают во время пробоя диода. Хотя либо первый, либо второй эффект оказывается более доминирующим, доминирование любого из этих двух эффектов зависит от величины обратного напряжения. При обратном напряжении менее 5 вольт преобладающим становится эффект Зенера, а при напряжении выше 6 вольт — лавинный эффект. Оба эффекта находятся между 5 и 6 вольтами. Осторожно, первый называется стабилитроном, а второй известен как лавинный диод; однако вместе они оба широко известны как стабилитроны.

Пробой Зенера происходит при возникновении сильного электрического поля в области обеднения и при разрыве ковалентных связей вследствие действия этого поля из-за низкого обратного напряжения. Таким образом, образуется очень большое количество электронов и дырок, которые генерируют обратный ток насыщения (теперь известный как ток Зенера I _z ), величина которого регулируется или ограничивается внешним сопротивлением в цепи. Лавинный пробой происходит при очень высоких обратных напряжениях, когда термически генерируемые электроны образуют больше носителей в результате столкновения в результате приобретения подходящей энергии.

Базовая теория Стабилитрон:

Мы знаем, что когда PN-переход имеет обратное смещение, наступает момент, когда переход разрушается, и обратный ток также увеличивается очень быстрыми темпами, значение которого ограничивается фиксированием внешнего сопротивления. в ряду соединений. Это критическое значение напряжения (при котором возникает данная ситуация) называется напряжением пробоя (V _BR ). После того, как произошел пробой, значение тока значительно увеличивается из-за дополнительного увеличения напряжения. В этот момент само соединение оказывает почти нулевое сопротивление.

Напряжение пробоя зависит от ширины обедненной области. Однако сама широта зависит от уровня легирования. Из-за увеличения обратного напряжения за пробой ответственны два механизма, или, другими словами, пробой происходит из-за следующих двух эффектов.

Пробой Зенера

Этот тип пробоя происходит в соединениях, которые сильно легированы, а их обедненные слои узки. Напряжение пробоя образует сильное электрическое поле (10 ⁸ в/м) параллельно этому узкому слою. Ковалентные связи разрываются из-за сильного поля и образуются электронно-дырочные пары (другими словами, это сильное поле вытягивает валентные электроны из их соответствующих оболочек). Теперь, если приложить дальнейшее небольшое увеличение обратного напряжения, следовательно, образуются большие носители тока. Это является причиной того, что сопротивление перехода в области пробоя очень мало и возникает большой обратный ток. Поскольку валентные электроны изолируются электрическим полем при эффекте Зенера, его также иногда называют эмиссией в сильном поле.

Лавинный пробой

Этот вид пробоя возникает в слабо легированных переходах с широкими обедненными слоями, а его электронное поле не настолько сильно, чтобы мог сработать зенеровский пробой. Однако неосновные носители, движущиеся в поле, сталкиваются с атомами полупроводника в обедненной области. В результате столкновения с валентными электронами происходит разрыв ковалентных связей и образование электронно-дырочных пар. Электрическое поле еще больше увеличивает скорость этих вновь образованных заряженных носителей, из-за чего происходят дальнейшие столкновения, в результате чего образуется больше носителей заряда. Таким образом происходит выплеск носителей заряда, который называется лавиной. Благодаря этому обратное сопротивление перехода становится низким. Другими словами, когда диод смещен в обратном направлении, неосновные носители генерируют небольшой обратный ток в точке пробоя. Когда обратное напряжение диодов увеличивается до такой степени, что его значение превышает напряжение пробоя, энергия неосновных носителей становится настолько высокой, что валентные электроны отрываются от своих нормальных орбит. Эти изолированные электроны становятся свободными электронами, и другие валентные электроны также начинают образовывать свободные электроны за счет изоляции от своих орбит. Таким образом, за счет лавины свободных электронов генерируется большой обратный ток.

Состояние вышеупомянутых пробоев показано на рисунке 1.

Рисунок 1.

Вольт-амперные характеристики

Вольт-амперные характеристики стабилитрона показаны на рисунке 2. Его прямые характеристики такие же простые, как и у обычного перехода прямого смещения (рис. 1). Однако характерные точки его обратной характеристики следующие:

рис.2

Vz= напряжение пробоя стабилитрона

I _z.min = минимальный ток для поддержания пробоя

I _z.max = максимальный ток Зенера, ограниченный максимальной рассеиваемой мощностью величина внешнего сопротивления в цепи), обратная характеристика стабилитрона вовсе не вертикальна. Однако мы игнорируем его и предполагаем, что его характеристики вертикальны. Другими словами, мы относимся к стабилитрону как к идеальному диоду, напряжение которого не меняется из-за пробоя. Это означает, что V _z остается постоянным, несмотря на увеличение значений I _z . На рисунке 3 (а) показана форма стабилитрона, на рисунке (б) маломощный диод и на рисунке (с) его эквивалентная схема. Символ стабилитрона, показанный на рисунке (а), очень похож на обычный диод, за исключением того, что концы двух линий, разделяющих катоды, изогнуты. Можно заметить, что символ катода стабилитрона похож на английский алфавит «Z». На рисунке 3 показан идеальный и практичный стабилитрон вместе с его эквивалентной схемой, в которой он выглядит как батарея V вольт.

рис.3

Смещение стабилитрона

Для эффективной работы стабилитрона в любой цепи необходимо, чтобы

• Он был смещен в обратном направлении
• Он должен иметь большее напряжение по сравнению с напряжением пробоя Зенера (V _z )
• Следует закрепить на такой схеме, которая пропускает меньший ток по сравнению с I _z-max

Работа стабилитрона;

Когда стабилитрон смещен в прямом направлении, из-за очень низкого прямого сопротивления он начинает проводить при напряжении 0,7 В (0,3 В в случае германия), как кремниевый диод, и его прямые токи увеличиваются слишком быстро. Когда он смещен в обратном направлении, очень небольшая утечка или обратный ток протекает через область утечки (область между нулем и пробоем) из-за большого обратного сопротивления. При дальнейшем увеличении его обратного смещения достигается точка, в которой (или определенное значение обратного напряжения) диод пробивается, благодаря чему обратный ток очень быстро возрастает. Этот ток обычно ограничивается вставкой сопротивления в ряд стабилитронов. Это увеличение обратного тока является почти вертикальным (как видно из характеристик V/I). Помните, что напряжение в области пробоя практически постоянно и его величина почти равна В _z .

Номинальное значение стабилитрона:

Номинальное напряжение стабилитрона описывается относительно напряжения Зенера. Обычно доступны различные стабилитроны с стабилитронами. Широко распространены стабилитроны с стабилитронами или напряжениями пробоя от 1,8 до 200 В, предел допустимых отклонений их номиналов составляет 5—10%, а иногда и 20%. Однако его напряжения Зенера зависят от уровня легирования и температуры.

Потребляемая мощность стабилитрона равна произведению его напряжения на ток, т.е.

P _z = V _z . I _z

Пока отношение номинальной мощности стабилитрона меньше, чем P _z , он работает в области пробоя без какого-либо повреждения или выхода из строя. Номинальная мощность коммерчески доступных стабилитронов обычно находится в диапазоне от 50 Вт до 150 мВт. Обычно в техпаспорте, помимо напряжения пробоя (V _z ), максимальный ток также подается на стабилитрон, через который стабилитрон может проходить без увеличения его номинальной мощности. В даташитах также указана максимальная потребляемая мощность этих стабилитронов при определенной максимальной температуре, которая может быть завышена. Диод Зенера обычно напоминает обычный диод; однако он идентифицируется по его номеру IN, например. IN750 или IN4000. Мощность IN 750 составляет 10 Вт, а IN4000 — мощный диод.

В таблице 3.1 показаны номиналы стабилитронов или диодов регулятора напряжения в диапазоне от IN746 до IN 759.

Полное сопротивление стабилитрона

Другим важным параметром стабилитрона является импеданс стабилитрона (Z _z ). Импеданс Зенера — это, по сути, динамическое сопротивление или импеданс стабилитронов (точно так же, как динамическое сопротивление обычного PN-диода). Обратный наклон кривой Зенера называется импедансом Зенера. Наклон кривой Зенера (V/I) равен ∆I/∆V, поскольку импеданс равен ∆V/∆I, следовательно, импеданс Зенера обратно пропорционален наклону)

Z _z = ∆V _z / ∆I _z = изменение напряжения стабилитрона/ изменение тока стабилитрона наклон (рисунок 4). Поскольку Z _z представляет собой наклонную кривую, ее наименьшее значение обычно имеет большее значение, особенно там, где требуется очень малое изменение напряжения при максимальном изменении тока. Однако это важное свойство стабилитрона при работе в области пробоя.

Figure4

Использование стабилитрона:

Стабилитроны широко используются в транзисторных схемах. Ниже приведены некоторые из этих применений:

1. Для регулирования напряжения
2. В качестве ограничителей пиковых значений или ограничителей напряжения
3. Избегание высокого напряжения для защиты счетчика
4. Для изменения формы волны
5. В качестве фиксированного эталонного напряжения для смещения и сравнения в любой сети, а также для калибровки напряжения

Использование стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Измерение мощности источника постоянного напряжения, несмотря на изменения входного напряжения или тока нагрузки, называется регулированием тока по напряжению. Мы знаем, что наиболее важной функцией стабилизатора напряжения является постоянная подача выходного сигнала, несмотря на большие колебания тока нагрузки, и, поскольку в некоторых регуляторах напряжения применяется стабилитрон, он превосходно выполняет эту функцию в качестве регулятора. Поэтому диод Зенера иногда определяют как диод, который используется в качестве регулятора напряжения.

Помните, что обычный диод не может работать как стабилитрон, потому что обычные диоды работают в прямом направлении, тогда как стабилитрон установлен в цепи для работы в обратном направлении. Поскольку стабилитрон работает в области пробоя, напряжение источника Vin всегда должно превышать напряжение пробоя стабилитрона (V _z )

рис. 5

На рис. приходится регулировать. Стабилитрон установлен параллельно Vin. Он проводит, когда значение напряжения, параллельного диоду, больше по сравнению с V _z и через последовательное сопротивление Rs начинает протекать большой ток. Параллельно диоду установлено сопротивление нагрузки R _L , параллельно которому требуется постоянное напряжение V _out . Общий ток (I), проходящий через R _s , равен сумме тока диода (I _z ) и тока нагрузки (I _L ).

I= I _z + I _L

Помните, всегда и при любых условиях выходное напряжение (V _out ) всегда должно равняться напряжению Зенера V _Z , т. е. V _OUT = V _Z

Следовательно, V _в = IR _S +V _OUT = IR _S +V _Z = . В первой ситуации предположим, что значение R фиксировано или постоянно, а значение напряжения питания (V _в ) немного увеличилось. Согласно закону Ома, ток в цепи имеет тенденцию к увеличению с увеличением напряжения питания. Таким образом, увеличение (V _в ) также увеличит падение сопротивления, существующее параллельно последовательному сопротивлению (R _с ). Следовательно, (V _из ) остается постоянным. Наоборот, если напряжение питания (V _в ) уменьшается, малый ток, проходящий через диод, и падение напряжения параллельно (R _s ) также уменьшаются, благодаря чему (V _вых ) снова остается постоянным. Таким образом, при изменении (V _в ) I и Rs также изменяются, а (V _из ) или (V _z) остаются неизменными.

(2). В других ситуациях предположим, что (V _в ) фиксировано, однако ток, проходящий через стабилитрон (I _z ) варьируется. Когда ток нагрузки (I _L ) увеличивается, ток диода (I _z ) уменьшается. Таким образом, (I) и (R _s ) остаются фиксированными, а (V _out ) также совсем не меняется (т. е. на (V _out ) влияния нет). ) уменьшается, (R _s ) будет увеличиваться, так что падение (I) и (R _s ) остаются неизменными, поэтому (V out) не меняется, несмотря на уменьшение (IL), так как

В _из = В _в – IR _s = V _в – (I _z + I _L ) R _s

R _s = V _вх – V _вых / I _z + I _L = V _вх – V _вых / I

При максимальном значении тока диода (I

_L ) становится равным нулю. т. е.

R _с = V _в – V _изн /я _{изн. max}

Пример

Предположим, что значение (V _в ) равно 30 вольтам, значение (V _z ) равно 12 вольтам, а значение последовательного сопротивления равно 1,8 кН. Поскольку входное напряжение превышает напряжение Зенера, следовательно, стабилитрон начинает работать в области пробоя и обеспечивает выходное напряжение 12 вольт. Однако значение тока Зенера или тока, проходящего через последовательное сопротивление, определяется следующим образом.

I= В _в – В _z /R _s = 30 В-12 В/1,8 кОм = 10 мА

Теперь, если значение входного напряжения увеличить с 30 до 48, значение тока Зенера будет таким, как показано ниже.

I= 48–12 В/ 1,8 кОм = 20 мА

Так как область пробоя почти вертикальна, поэтому, несмотря на изменения входного напряжения (от 30 до 48 вольт) и значений рабочего тока (от 10 мА до 20 мА), выходное напряжение, параллельное стабилитрону, почти остается постоянным, т.