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

Стабилизаторы

Напряжение, ток, мощность

Импульсные стабилизаторы напряжения

Нелинейные преобразователи на ОУ

Стабилизация тока покоя в транзисторных каскадах

Туннельные и обращенные диоды

1.4 Стабилитрон

Повышая концентрацию примесей {глава 1.2}, в кремниевых диодах можно добиться обратимости процесса электрического пробоя. При этом на обратной ветви ВАХ {глава 1.3} образуется участок, на котором большие изменения тока через переход вызывают небольшие изменения напряжения(рис.1-7). Диоды, имеющие такую ВАХ, называются стабилитронами, или опорными диодами, так как они используются для стабилизации напряжения.

Рис 1-7 Вольт амперная характеристика стабилитрона

Основными параметрами стабилитронов являются: Iмин, Iмакс соответственно минимальный и максимальный токи стабилизации, определяющие рабочий участок ВАХ. Обычно значение Iмин лежит в пределах от 3 мА до 100 мА, а Iмакс — от 10 мА до 3 А.

Uстаб.ном — номинальное напряжение стабилизации, обычно от 1 до200 В;

Rдин=dU/dI — динамическое сопротивление, где dI,dU — приращения тока и напряжения на рабочем участке ВАХ, обычно Rдин=10- 100 Ом.

У стабилитрона обратное напряжение остается практически постоянным при условии

I_обрмакс>= I>= I_обр, мин.

Рис.1-8 Схема включения стабилитрона

U_нестаб = U_стаб+I_стаб R_огран

U_стаб= 3,3 В – 150 В

I_{стаб, мин} = 2 – 5 мА

I_{стаб, макс} = 30 – 500 мА

Стабилизирующие свойства характеризуются коэффициентом стабилизации:

K_стаб=(ΔU_нестабU_стаб) / (U_нестабΔU_стаб) К_стаб = 5-10 .

Для повышения коэффициента стабилизации применяется каскадное соединение стабилизирующих ячеек.

Рис.1-9 Каскадное соединение стабилитронов

Недостаток многоячеечного стабилизатора — большие потери напряжения на ограничительных резисторах. Для увеличения стабилизированного напряжения применяется последовательное соединение стабилитронов.

Рис.1-10 Последовательное соединение стабилитронов

Если стабилитроны включить встречно, то при подаче на них переменного напряжения происходит двустороннее ограничение выходного напряжения(рис).

Рис.1-11 Встречное соединение стабилитронов

Параллельное соединение стабилитронов не применяется т.к. в момент включения всегда открывается стабилитрон с наименьшим Uстаб.и остальные стабилитроны остаются закрытыми.

Рис.1-12 Внешний вид стабилитронов

1-маломощный стабилитрон;

2-мощный стабилитрон с креплением на теплоотводе

1.

5 Транзисторы

1.5.1 Структура транзистора

Транзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор со слоями чередующегося типа проводимости {глава 1.2}. Существуют транзисторы типа pnp и npn.

Рис.1-13 Структура транзистора

Эмиттер – p-полупроводник с большим количеством примесей.

База – n-полупроводник с малым количеством примесей. Слой базы очень тонкий,порядка 1 мкм.

Коллектор – p полупроводник со средним количеством примесей. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом, переход база-коллектор – коллекторным переходом.

Наиболее часто транзистор включается так ,что эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

При включении транзистора из эмиттера в базу инжектируется большое количество дырок, которые путем диффузии распространяются в базе, доходят до коллекторного перехода и втягиваются им, образуя большой коллекторный ток. I_к-≈I_э , но I_к- < I_э. Поведение транзистора описывается 2-я уравнениями:

I_э = I_б + I_к и I_к = αI_э +I_к0 , где α – коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). α=0,9 – 0,995.

Рис.1-14 Условные обозначения транзисторов

Рис.1-15 Внешний вид транзисторов различной мощности

Регулятор напряжения

— стабилитрон последовательно?

спросил 11 лет, 9 месяцев назад

Изменено 1 год, 10 месяцев назад

Просмотрено 34к раз

\$\начало группы\$

Можно ли использовать стабилитрон последовательно? Обычно я вижу их на выходе источника питания, чтобы ограничить напряжение значением стабилитрона.

Вместо этого последовательное соединение должно снизить напряжение на значение стабилитрона, да? (таким образом, стабилитрон 5 В на источнике питания 12 В даст на выходе 7 В).

Дело в том, что у меня питание -12В и мне нужно -5В (или около, -7 подойдет — я добавил пару Si-диодов, чтобы еще немного снизить напряжение) питание от него — НО — я не хочу терять питание -12В (необходимое для других частей схемы), и у меня нет отрицательных стабилизаторов, только положительные.

Я пробовал, все нормально, но не вызовет ли это проблем, если я оставлю все как есть?

• регулятор напряжения
• стабилитрон

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Регулятор был бы лучшим решением, но стабилитрон (один ‘n’) подойдет, по крайней мере, если вы не хотите потреблять слишком много энергии от регулируемого напряжения. Вы не размещаете стабилитрон непосредственно на -12 В, а используете последовательный резистор для ограничения тока. Именно этот последовательный резистор определяет, какой ток вы можете потреблять. -12V все еще будет доступно.

Чтобы рассчитать сопротивление резистора, вы должны знать, какой ток потребляет ваша нагрузка. Допустим, это 1 мА. Также предположим, что стабилитрону требуется 10 мА. Это 11 мА через резистор. Падение напряжения 12В — 5В = 7В. Тогда R = 7В / 11 мА = 640\$\Omega\$.

редактировать
Вы можете подумать, что в моем примере я немного преувеличиваю, чтобы иметь 10 мА для стабилитрона, если схема требует только 1/10 от этого. Но вы обнаружите, что стабилитроны часто рассчитаны на гораздо более высокие токи, например 50 мА. Некоторые более новые стабилитроны рассчитаны на гораздо более низкие токи, этим требуется всего 50 \ $ \ mu \ $ A.

YAE (Yet Another Edit)
Причина, по которой вы не хотите использовать стабилитрон последовательно, чтобы получить падение напряжения, заключается в том, что, особенно при малых токах, обратное напряжение может быть намного ниже номинального значения. Например, этот диод имеет характеристики 5,1 В при 50 мА, но 1 В падает только при 10\$\мкА.

\$\конечная группа\$

7

\$\начало группы\$

В нескольких редких случаях я использовал стабилитрон, чтобы снизить напряжение питания до входного диапазона регулятора. Например, у меня был готовый трансформатор, который нормально работал в схеме импульсного блока питания, за исключением силовой обмотки смещения, которая имела слишком много витков и после выпрямления давала 34 вольта.

Поскольку требования к току смещения были довольно низкими (несколько миллиампер), а напряжение смещения, необходимое для микросхемы, составляло 12-32 вольта (она имеет встроенный линейный регулятор), предыдущий инженер использовал комбинацию резистора и стабилитрона на 30 вольт, например тот, что в ответе Стивенва.

Пока схема работала, ее ток покоя вдвое превышал ожидаемый. Мы посмотрели на схему с помощью тепловизионной камеры (Fluke Ti25 — отличный инструмент, если вы можете себе это позволить), и стабилитрон раскалился до предела.

Итак, мы изменили схему, чтобы использовать последовательный 10-вольтовый стабилитрон с обратным смещением, чтобы снизить напряжение примерно до 24 вольт, ниже максимума микросхемы. Все остальное сделает встроенный регулятор. Нам просто нужно было убедиться, что через диод проходит минимальный ток, но это было несложно.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Безопаснее всего справиться с ситуацией, установив стабилитрон параллельно нагрузке. Вы рассчитываете комбинацию резистора и стабилитрона так, чтобы, когда ваша нагрузка потребляет ноль ампер, ваш стабилитрон мог выдерживать ток без возгорания.

Пример: ваша нагрузка потребляет ток от 0 мА до 100 мА. Напряжение питания 12В. Необходимое напряжение 6В.

Вам нужен стабилитрон Pd = 5 Вт для управления током, когда нагрузка не потребляет ток.

Значение резистора равно (необходимое падение напряжения)/(максимальный ток нагрузки), поэтому в данном случае 6В/0,1А = 60 Ом. Проверьте рассеиваемую мощность резистора (PdR). PdR = Iнагрузка * Iнагрузка * R = 0,1A * 0,1A * 60 Ом = 0,6 Вт.

Итак, стабилитрон 6В 5Вт и резистор 60 Ом 1Вт нужны точные значения без боязни перегрева.

Вы можете использовать резистор номиналом 56 Ом (проще найти в магазине). Зенер может справиться с дополнительным током.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

На мой взгляд, в примере с Майком лучше всего добавить еще один стабилитрон на 5 вольт последовательно перед резистором, чтобы свести к минимуму потери мощности в стабилитроне и резисторе. Резистор должен падать всего на 1 вольт при максимальной нагрузке. Значение R составляет 1/0,1 = 10 Ом. Максимальный ток добавленного стабилитрона при полной нагрузке равен максимальному току нагрузки = 0,1 А. Максимальный ток исходного стабилитрона без нагрузки 1 В/10 = 0,1 А. Как видите, у нас нет потерь тока в стабилитроне или резисторе, которые превышают требования схемы. Цепь будет работать холоднее, и будет теряться меньше энергии. Это только мысли, но они не верны, поэтому я могу ошибаться.

\$\конечная группа\$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Стабилитрон последовательно с нагрузкой

спросил 1 год, 3 месяца назад

Изменено 1 год, 3 месяца назад

Просмотрено 503 раза

\$\начало группы\$

Это может показаться глупым вопросом, но что произойдет, если мы подключим стабилитрон в обратном направлении «последовательно» к положительному проводу нагрузки без импедансов, отличных от самой нагрузки?

• диоды
• стабилитрон

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Если входное напряжение источника (Vin) выше, чем напряжение пробоя стабилитрона, стабилитрон выйдет из строя, упадет Vz (напряжение стабилитрона) вольт, а нагрузка получит Vin-Vz вольт. Стабилитрон будет рассеивать мощность Vz*Iload, где Iload — ток, потребляемый нагрузкой.

Если Vin ниже пробоя стабилитрона, то будет протекать только ток утечки и нагрузка предположительно работать не будет.

Если на нагрузке остается достаточное напряжение и оно соответствует характеристикам нагрузки, то нагрузка будет работать нормально.

Если на нагрузке остается недостаточное напряжение в соответствии с требованиями нагрузки, нагрузка может работать не так, как требуется.

Если мощность, рассеиваемая стабилитроном, слишком высока, стабилитрон может выйти из строя.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Если я правильно прочитал ваше утверждение «стабилитрон в обратном направлении», вы имеете в виду использование стабилитрона в обратном порядке (анод и катод в обратном направлении).