Другим механизмом, производящим аналогичный эффект, является лавинный эффект, как в лавинном диоде. Два типа диодов фактически сконструированы одинаково, и в диодах этого типа присутствуют оба эффекта. В кремниевых диодах до примерно 5,6 вольт эффект Зенера является преобладающим эффектом и показывает заметный отрицательный температурный коэффициент. Выше 5,6 вольт лавинный эффект становится преобладающим и имеет положительный температурный коэффициент.

В диоде на 5,6 В оба эффекта проявляются вместе, а их температурные коэффициенты почти компенсируют друг друга, поэтому диод на 5,6 В является предпочтительным компонентом для приложений, критичных к температуре. Современные технологии производства позволяют производить устройства с напряжением ниже 5,6 В с незначительными температурными коэффициентами, но по мере того, как встречаются устройства с более высоким напряжением, температурный коэффициент резко возрастает. Диод на 75 В имеет коэффициент в 10 раз больше, чем диод на 12 В.

Такие диоды, независимо от напряжения пробоя, обычно продаются под общим названием «стабилитрон».

Применение:

Зенеровские диоды широко используются в качестве источников опорного напряжения и шунтирующих регуляторов для регулирования напряжения в небольших цепях. При параллельном подключении к источнику переменного напряжения с обратным смещением стабилитрон проводит ток, когда напряжение достигает обратного напряжения пробоя диода. С этого момента относительно низкий импеданс диода удерживает напряжение на диоде на этом уровне.

В этой схеме, типичном источнике опорного напряжения или регуляторе, входное напряжение UIN регулируется до стабильного выходного напряжения UOUT. Напряжение пробоя диода D стабильно в широком диапазоне токов и удерживает UOUT относительно постоянным, даже несмотря на то, что входное напряжение может колебаться в довольно широком диапазоне. Из-за низкого импеданса диода при такой работе резистор R используется для ограничения тока в цепи.

В случае этой простой ссылки ток, протекающий через диод, определяется по закону Ома и известному падению напряжения на резисторе R;

IDiode = (UIN — UOUT) / R
Значение R должно удовлетворять двум условиям:

1. R должно быть достаточно малым, чтобы ток через D удерживал D в обратном пробое. Значение этого тока указано в техпаспорте для D. Например, распространенное устройство BZX79C5V6, стабилитрон 5,6 В 0,5 Вт, имеет рекомендуемый обратный ток 5 мА. Если через D проходит недостаточный ток, то UOUT будет нерегулируемым и будет меньше номинального напряжения пробоя (это отличается от ламп регулятора напряжения, где выходное напряжение будет выше номинального и может возрасти до UIN). При расчете R необходимо учитывать любой ток через внешнюю нагрузку, не показанную на этой схеме, подключенную через UOUT.

2. R должно быть достаточно большим, чтобы ток через D не разрушил устройство. Если ток через D равен ID, его напряжению пробоя VB и максимальной рассеиваемой мощности PMAX, то IDVB < PMAX

На диод в этой эталонной схеме может быть подключена нагрузка, и пока стабилитрон остается в режиме обратного пробоя, диод обеспечит стабильный источник напряжения на нагрузке. Стабилитроны в этой конфигурации часто используются в качестве стабильных эталонов для более совершенных схем стабилизаторов напряжения.

Шунтирующие регуляторы просты, но требования к балластному резистору должны быть достаточно малы, чтобы избежать чрезмерного падения напряжения в наихудшем случае (низкое входное напряжение одновременно с высоким током нагрузки) имеют тенденцию оставлять большой ток, протекающий через диод большую часть времени, что делает регулятор довольно расточительным с высокой рассеиваемой мощностью покоя, подходящим только для небольших нагрузок.

Эти устройства также встречаются, как правило, последовательно с переходом база-эмиттер в транзисторных каскадах, где выборочный выбор устройства, сосредоточенного вокруг точки лавины или стабилитрона, может использоваться для введения компенсирующего температурного коэффициента балансировки транзистора узел ПН. Примером такого использования может быть усилитель ошибки постоянного тока, используемый в системе контура обратной связи цепи регулируемого источника питания.

Стабилитроны также используются в устройствах защиты от перенапряжения для ограничения скачков переходного напряжения.

Другим примечательным применением стабилитрона является использование шума, вызванного его лавинным пробоем, в генераторе случайных чисел, который никогда не повторяется.

Стабилитроны — полное руководство

Наше руководство поможет вам понять, что такое стабилитроны, их характеристики и принципы работы.

Что такое стабилитрон?

Стабилитроны на силиконовой основе дискретные полупроводниковые устройства , которые позволяют току течь в обоих направлениях — либо в обратном, либо прямом направлении. Диоды состоят из сильно легированного кремнийорганического перехода P-N, который предназначен для проведения в обратном направлении после достижения определенного порога напряжения.

Стабилитроны имеют заданное обратное напряжение пробоя. Когда это достигается, они начинают проводить ток и продолжают непрерывно работать в обратном направлении смещения, не вызывая повреждений. Одно из основных преимуществ диодов Зенера заключается в том, что переменный диапазон напряжений по-прежнему будет поддерживать постоянное падение напряжения на диоде. В результате стабилитроны можно использовать для регулирования напряжения.

Просмотреть все стабилитроны

Характеристики стабилитронов

Стабилитроны работают аналогично обычным диодам в режиме прямого смещения. Они имеют напряжение смещения включения от 0,3 до 0,7 В. При подключении в обратном режиме в большинстве приложений возникает небольшой ток утечки. Когда обратное напряжение увеличивается до установленного напряжения пробоя, через диод будет протекать ток. Когда ток увеличивается до максимума (определяемого последовательно включенными резисторами), он стабилизируется и остается постоянным в широком диапазоне приложенного напряжения.

Независимо от значения тока, протекающего через диод, напряжение остается почти постоянным. Это также имеет место при больших изменениях тока, при условии, что ток диода остается между максимальным током и током пробоя.

Сильный самоконтроль стабилитрона очень полезен, когда речь идет о регулировании и стабилизации изменений нагрузки или питания в зависимости от источника напряжения. Это делает его ключевой характеристикой, поскольку позволяет использовать диод в различных приложениях регуляторов напряжения.

Некоторые характеристики зависят от конкретного стабилитрона. К ним относятся рассеиваемая мощность, номинальное рабочее напряжение и максимальный обратный ток. Дополнительные общеизвестные спецификации включают:

• Напряжение Зенера — это относится к обратному напряжению пробоя. Это колеблется от 2,4 В до 200 В, в зависимости от конкретного диода
.
• Ток (максимальный)  – максимальный ток при номинальном напряжении Зенера. Может варьироваться от 200 мкА до 200 А
• Ток (минимальный)  — минимальный ток, необходимый при напряжении Зенера для пробоя диода. Обычно это от 5 мА до 10 мА
• Номинальная мощность  – максимальное значение рассеиваемой мощности диода, включая ток, протекающий через диод, и напряжение на нем. Стандартные значения включают 400 мВт, 500 мВт, 1 Вт и 5 Вт. Для диодов поверхностного монтажа типичные значения составляют 200 мВт, 350 мВт, 500 мВт и 1 Вт
.
• Допустимое отклонение напряжения  – обычно ±5%
• Температурная стабильность  – самые стабильные диоды обычно примерно на 5 В
• Сопротивление Зенера  – сопротивление диода
.

Применение стабилитронов

Стабилитроны используются в ряде приложений, включая:

• Регулирование напряжения
• Опорное напряжение
• Подавление перенапряжения
• Переключение приложений
• Цепи клипера

Можно использовать стабилитрон для создания стабилизированного выходного напряжения с малыми пульсациями в условиях переменного тока нагрузки. При использовании подходящего токоограничивающего резистора для пропускания незначительного тока от источника напряжения через диод будет проходить достаточный ток для поддержания требуемого падения напряжения. При изменении значения нагрузки среднее выходное напряжение также изменяется. Однако добавление стабилитрона может обеспечить равномерное выходное напряжение.

При этом следует также отметить, что диоды Зенера могут иногда создавать электрические помехи в источнике постоянного тока, поскольку они работают для стабилизации напряжения. Это хорошо для большинства приложений, но добавление развязывающего конденсатора большой емкости к выходу диода может решить проблему, обеспечив дополнительное сглаживание.

Поскольку стабилитроны могут работать в условиях обратного смещения, их можно использовать в схемах регуляторов напряжения для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока. Это постоянное напряжение может поддерживаться, несмотря на любые изменения входного напряжения или изменения тока нагрузки.

Эта схема регулятора напряжения содержит токоограничивающий резистор, включенный последовательно с входным напряжением. Затем диод и нагрузка должны быть подключены параллельно. Выходное стабилизированное напряжение и напряжение пробоя диода всегда будут одинаковыми.

Использование стабилитронов и рабочие приложения

Стабилитроны также используются в современных приложениях, таких как смартфоны и устройства Android. Многие из таких применений связаны с технологией Bluetooth. В среднем стандартному устройству Bluetooth для работы требуется около 3 В. В этом приложении стабилитрон будет использоваться для подачи необходимых 3 В на устройство с поддержкой Bluetooth.

Как работает стабилитрон?

Принцип работы стабилитрона определяется причиной пробоя диода в условиях обратного смещения. Обычно есть два типа — стабилитрон и лавинный.

Пробой стабилитрона происходит при напряжении обратного смещения от 2 В до 8 В. Напряженности электрического поля достаточно, чтобы приложить силу к валентным электронам, отделив их от ядер — даже при таком низком напряжении. Этот процесс формирует подвижные электронно-дырочные пары, что увеличивает протекание тока.

Пробой стабилитрона обычно происходит для высоколегированных диодов с большим электрическим полем и низким напряжением пробоя. По мере повышения температуры валентные электроны получают больше энергии, поэтому требуется меньшее внешнее напряжение. Это также означает, что напряжение пробоя стабилитрона уменьшается вместе с температурой.

Пробой напряжения также происходит в условиях обратного смещения, при минимальном напряжении 8 В, для светолегированных диодов, которые имеют большое напряжение пробоя. Электроны, проходящие через диод, сталкиваются с электронами ковалентной связи, разрывая ее. Скорость электронов увеличивается по мере увеличения напряжения, а это означает, что ковалентные связи легче разрушаются. Следует также отметить, что напряжение лавинного пробоя возрастает вместе с температурой.

Что такое символ стабилитрона?

На изображениях изображен стандартный символ стабилитрона, используемый на принципиальной схеме.

Этот символ показывает, как присутствие стабилитрона будет отмечено на принципиальной схеме. Точно так же, если вы видите этот символ на принципиальной схеме, это означает, что в этой точке цепи присутствует стабилитрон.

Эта диаграмма основывается на приведенной выше схеме и показывает дополнительную информацию о стабилитроне. В верхней строке диаграммы показан символ диода плюс плюс и минус, связанные с анодом и катодом. Нижняя строка диаграммы показывает то же самое, за исключением упрощенной версии реалистичного диода, в отличие от символа диода Зенера.

Часто задаваемые вопросы

Можно соединить несколько стабилитронов последовательно, и обычно это делается для достижения определенного напряжения стабилитрона. Однако, если вы используете несколько диодов, вы также должны контролировать ток Зенера и не допускать превышения максимального значения. Это связано с тем, что максимально допустимый ток Зенера становится равным наименьшему диоду, подключенному последовательно. Это также означает, что в сценарии, когда два стабилитрона соединены последовательно, один из них не будет демонстрировать заявленный ток или напряжение Зенера, если диоды не имеют одинаковых характеристик тока Зенера.

Диод — это полупроводниковый прибор , проводящий ток в одном направлении (однонаправленный). Стабилитроны также являются полупроводниковыми устройствами, но ключевое отличие состоит в том, что они проводят ток как при прямом, так и при обратном смещении. Еще одно важное различие между этими двумя типами — интенсивность легирования. Обычные диоды обычно имеют умеренное легирование, тогда как стабилитроны имеют более сильное легирование, чтобы обеспечить более резкое напряжение пробоя.

alexxlab