Чем отличается стабилитрон от стабистора

26

Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроны и стабисторы — это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации, т. е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры.

Конструкции стабилитронов широкого применения аналогичны выпрямительным диодам (рис. 1 и 2).

Рис. 1 — Стабилитрон Д814В.
На корпусе иммется схематическое обозначение диода, указывающее, где находятся катод и анод.

Рис. 2 — Зарубежный стабилитрон.
Надпись 5V1 — напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 В.
Катод помечается в основном черной полоской

Работает стабилитрон не на прямой, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на участке обратной ветви вольтамперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор. Разобраться в сущности действия стабилитрона поможет его вольтамперная характеристика (рис. 3).

Рис. 3 — Вольтамперная характеристика стабилитрона

Напряжение на стабилитрон подают в обратной полярности, т. е. включают так, чтобы его анод был соединен с минусом, а катод с плюсом источника питания. При таком включении через стабилитрон течет обратный ток I_обр . По мере увеличения обратного напряжения обратный ток растет очень мало — характеристика идет почти параллельно оси U_обр . Но при некотором напряжении U_обр p-n-переход стабилитрона пробивается и через него начинает течь значительный обратный ток. Теперь вольт-амперная характеристика резко поворачивает и идет вниз почти параллельно оси I_обр . Этот участок и является для стабилитрона рабочим. Пробой не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное — не переборщить силу тока, больше чем I_max , иначе стабилитрон выходит из строя. Пробой p-n-перехода не ведет к порче прибора, если ток через него не превышает некоторой допустимой величины.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Самым лучшим рабочим режимом стабилитрончика считается режим, при котором сила тока на стабилитроне находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (рис. 4).

Рис. 4 — Рабочая точка стабилитрона

Стабистор, как и выпрямительный диод, работает на прямой ветви вольтамперной характеристики (рис. 5).

Рис. 5 — Вольтамперная характеристика стабистора

Стабистор открывается при незначительном прямом напряжении U_пр и через него начинает течь нарастающий по величине прямой ток I_пр . Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабистора проходит почти параллельно оси I_пр . При значительном изменении прямого тока через стабистор падение напряжения на нем изменяется очень мало. Это свойство стабистора и используется для стабилизации напряжения.

Параметры стабилитронов

Наиболее важные параметры (характеристики) стабилитронов и стабисторов:

• номинальное напряжение стабилизацииU_ст — падение напряжения, которое создается между выводами стабилизатора или стабистора в рабочем режиме.
• номинальныйток стабилизацииI_ст ,
• минимальный ток стабилизацииI_ст.мин — для стабилитрона — наименьший ток через прибор, при котором начинается устойчивая работа в режиме «пробоя» (на рис.1 — линия I_ст.мин); для стабистора — наименьший прямой ток, при котором крутизна вольт-амперной характеристики резко уменьшается (на рис.2 — на уровне линии I_ст.мин) . С уменьшением этого тока приборы перестают стабилизировать напряжение.
• максимальный ток стабилизацииI_{ст.макс} — это наибольший ток через прибор, при котором температура его р-n-перехода не превышает допустимой (на рис. 1 и 2 — линии I_{ст.макс} ). Превышение тока I_{ст.макс} ведет к тепловому пробою р-n перехода и, естественно, к выходу прибора из строя.

Номинальный — это значит нормальный параметр, при котором возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Использование стабилитронов

Стабилитроны часто используются стабилизации выходного напряжения источника питания (рис. 6).

Рис. 6 — Схема простого источника питания

Слева — выпрямитель, с помощью которого получаем постоянное напряжение из переменного. Справа — стабилизатор.

2.3 Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок 2.7), т.е. с большим значением крутизны I/U(I=I_{СТ MAX} –I_{СТ MIX}). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации U_СТсоответствует напряжению электрического (лавинного) пробояp—n-перехода при некотором заданном токе стабилизацииI_СТ (рисунок 2.7). Возможности получения стабильного напряжения характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитронаr_Д=U/I, которое должно быть как можно меньше.

Кпараметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизацииU_СТ, минимальный и максимальный токи стабилизацииI_{СТ MIN}иI_{CT MIN}, дифференциальное сопротивлениеr_Д, а так же температурный коэффициент напряжения стабилизации (TKU) – относительное изменение напряжения стабилизации ΔU_СТ при изменении температуры корпуса прибора на 1 о С.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_cтот 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-nпереходы.

Рис. 2.7. К определению

Простейшая схема стабилизации напряжения с использованием стабилитрона представлена на рисунке 2.8. Сопротивление нагрузки R_Н подключается параллельно стабилитрону, гасящее сопротивлениеR_Г служит для ограничения тока через стабилитрон.

Рис. 2.8. Схема включения стабилитрона

(2.3)

В результате уравнение нагрузочной прямой примет вид:

(2.4)

Точка пересечения этой прямой с ВАХ стабилитрона есть рабочая точка. На рисунке 2.9 приведена характеристика стабилитрона и две нагрузочные прямые при двух напряжениях питания U_П1 иU_П2. При изменении напряжения источника питания (напряжения на входе схемы) нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе.

Рис.2.9. Характеристика стабилитрона с нагрузочными характеристиками.

Т.к. входное напряжение может, как увеличиваться, так и уменьшаться,то рабочая точка выбирается на середине участка стабилизации. При этом ток, текущий через стабилитронI_СТ1 иI_СТ2 будет изменяться в соответствии с колебаниями входного напряжения, но напряжение на выходе схемы (напряжение на стабилитроне) будет оставаться практически неизменным.

В случае изменения сопротивления нагрузки при постоянном напряжении источника питания изменяется наклон нагрузочной прямой. При этом так же, как и в рассмотренном выше случае, изменяться будет ток, текущий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне останется постоянным.

Кроме стабилизации постоянного напряжения стабилитроны используют в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Разновидностью стабилитрона является стабистор, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Отличительная особенность стабисторов по сравнению со стабилитронами заключается в меньшем напряжении стабилизации, составляющем примерно 0,7 В при комнатной температуре. Стабисторы могут применяться совместно со стабилитронами в качестве термокомпенсирующих элементов.

Стабилитрон, стабистор

Стабилитрон и стабистор – разновидность полупроводниковых диодов, рассчитанные на стабилизацию напряжения на определенном уровне. При одинаковых задачах стабилитрон и стабистор имеют существенные отличия.

В основе работы стабилитрона лежат два механизма:

• Лавинный пробой p-n перехода
• Туннельный пробой p-n перехода (Эффект Зенера (англ.)русск. в англоязычной литературе)

На принципиальных электрических схемах позиционное обозначение стабилитронов — VD (ГОСТ 2.710-81), а в англоязычных странах — ZD.

Стабилитроны используют обратную ветвь вольт-амперной характеристики, по сравнению с простыми диодами обладают достаточно низким напряжением пробоя (в случае обратного включения) и способны поддерживать регламентированное напряжение на одном уровне в условии весомых изменений силы обратного тока.

Стабисторы используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики, при этом в области прямого смещения происходит падение напряжения до 0,7 – 2v и практически не зависит от тока.

Основными отличиями между стабилитронами и стабисторами являются: а) напряжение стабилизации у стабилитрона от 3 до 400v, когда у стабистора всего от 0,7 до 2v; б) использование противоположных ветвей вольт-амперной характеристики, вследствие чего разные способы включения в электрическую цепь.

Сопротивление токоограничивающего резистора рассчитывается по формуле:

Rогр = ( Uнест – Uвых ) / ( Iстаб + Iнагр ), где

Uнест – нестабилизированное напряжение;
Uвых – напряжение на выходе (стабилизированное);
Iстаб – ток стабилизации стабилитрона;
Iнагр – ток потребляемый нагрузкой;

Различают 3 вида стабилитронов: 1) прецизионные – стабилитроны с повышенной степенью стабильности; 2) быстродействующие – позволяющие улавливать кратковременные скачки напряжения; 3) двусторонние – стабилизирующие и ограничивающие двухполярное напряжение.

Стабилитроны и стабисторы: классификация, устройство, принцип и режимы работы, основные параметры, применение

Стабилитроны и стабисторы: классификация, устройство, принцип и режимы работы, основные параметры, применение

Стабилитрон

Стабилитроном называется радиокомпонент, конструктивно напоминающий диод, но кардинально отличающийся от него характером функционирования. Ключевым элементом так же, как и в обычном полупроводниковом вентиле, является полупроводниковый p-n-переход. И реакции обоих элементов на подачу обратного напряжения схожи – они оба запираются. Разница заключается в том, что пробой p-n-переходной зоны, который наступает при достижении обратным смещением некоего критического значения и выводит диод из строя, для стабилитрона является рабочим режимом.

Основа функциональности стабилитрона состоит в том, что при довольно больших изменениях обратного тока напряжение на элементе остаётся практически неизменным. Другими словами, насколько бы существенным ни было обратное смещение, радиокомпонент будет поддерживать постоянный уровень выходной разности потенциалов. Эта стабилизированное напряжение может использоваться в качестве опорного, что и находит применение в реальных радиоэлектронных устройствах, критичных к электрическим характеристикам сигнала.

Туннельный и лавинный пробой

Пробой p-n-перехода, при котором работают стабилитроны, может быть лавинным или туннельным. Они являются электрическими и носят обратимый характер. То есть при отключении обратного смещения физико-химические свойства полупроводников восстанавливаются, и диод продолжает исполнять свои функции. Однако в случае стабилитронов условия возникновения пробоя создаются и поддерживаются искусственно.

В основе лавинного и туннельного пробоя лежат одноимённые квантовые эффекты, наблюдаемые в кристаллической структуре полупроводника при возбуждении электрического поля. При разной природе и механизмах данных процессов их последствия одинаковы – электроны приобретают энергию, достаточную для прохождения через p-n-переход. Возникает пробой, и через диод начинает протекать обратный ток.

Именно в этом режиме и работает стабилитрон. При этом существует различие между радиокомпонентами, в которых используются разные эффекты. Стабилитроны, функционирующие при лавинном пробое, оперируют разностями потенциалов свыше 7 Вольт. В элементах, рассчитанных на напряжение стабилизации 3-7 Вольт, провоцируется туннельный пробой. Для стабилизации более низких разностей потенциалов применяются стабисторы, о которых мы расскажем ниже.

Классификация стабилитронов

1. прецизионные;
2. двуханодные;
3. быстродействующие.

Двуханодный стабилитрон исполняет функцию двух стабилитронов, включенных встречно. Это позволяет элементу обрабатывать сигналы и с одинаковой эффективностью обрабатывать напряжения разной полярности. Такая радиодеталь изготавливается в едином технологическом цикле, когда на одном кристалле кремния выращивается два встречных p-n-перехода, но, в принципе, роль двуханодного радиокомпонента могут играть и два дискретных стабилитрона, взаимно соединённых катодами.

И, наконец, стабилитроны третьего типа – быстродействующие – отличаются пониженной барьерной ёмкостью, вследствие чего сокращается продолжительность переходных процессов, протекающих в полупроводнике. Эти радиокомпоненты являются наилучшим решением для работы с импульсными сигналами. Конструктивная особенность данных элементов состоит в небольшой ширине p-n-перехода, которая обеспечивается применением особой технологии легирования полупроводника.

Стабистор

Немного по-другому функционируют радиокомпоненты, называемые стабисторами, о которых мы говорили выше. Они исполняют ту же функцию, то есть стабилизируют выходное напряжение, но являются низковольтными. Обычные стабилитроны не способны оперировать малыми разностями потенциалов. При напряжениях до 3 Вольт не возникает условий ни для лавинного, ни для туннельного пробоя p-n-перехода. Для стабилизации меньших напряжений прибегают к другому решению, а именно к использованию не обратного, а прямого смещения.

Установлено, что в сильно легированном p-n-переходе дырки и электроны рекомбинируют таким образом, что при значительном прямом токе наблюдается эффект стабилизации выходного напряжения на уровне 2,5-3 Вольт. Это обуславливает ключевое технологическое различие стабилитронов и стабисторов. Вторые предназначены для работы только в низковольтных радиосхемах.

Применение стабилитронов и стабисторов

Хорошие стабилизирующие свойства стабилитронов и стабисторов обуславливают основную сферу применения этих радиокомпонентов – создание фиксированного питающего и опорного напряжения в различных радиоэлектронных устройствах. На первом месте по распространённости стоят стабилитроны, используемые в источниках питания. Применение этих специализированных диодов обеспечивает стабильные выходные параметры питающего напряжения и одновременно упрощает схему.

В блоках питания с повышенными требованиями по точности выходных характеристик находят применение прецизионные стабилитроны. Эти элементы устанавливаются в высокоточной измерительной аппаратуре и аналого-цифровых преобразователях. Двуханодные стабилитроны используются в подавителях импульсных помех. Данные радиокомпоненты в реальных схемах нередко сочетаются с импульсными диодами. Быстродействующие стабилитроны в сочетании с СВЧ-диодами применяются в аппаратуре, работающей на сверхвысоких частотах – передатчиках, радиолокаторах и так далее.