Стабилитрон: принцип работы и его вольт-амперная характеристика (вах)

Стабилитроны обрели большую популярность благодаря своей способности обеспечивать стабильное напряжение в электрических цепях — являются незаменимыми компонентами во многих электронных устройствах, где точность и надежность играют важную роль.

Кроме того, стабилитроны также привлекательны из-за своей простоты и низкой стоимости производства. Они состоят из всего нескольких элементов и не требуют сложной настройки или специального обслуживания. Это делает их доступными для широкого круга потребителей и способствует их популярности во многих областях, включая электронику, автомобильную промышленность и энергетику.

Что такое стабилитрон и для чего он нужен

Электронный компонент, который используется для стабилизации напряжения в электроцепях. Вах стабилитрона автоматически поддерживает постоянное значение напряжения при изменении входного тока или нагрузки.

Основная функция — обеспечение стабильного напряжения в электрической цепи. Он защищает электронные компоненты и устройства от нежелательных перепадов тока, которые могут привести к их повреждению. Например, в схемах питания компонент может использоваться для стабилизации показателей, подаваемых на микропроцессор или другие чувствительные компоненты, чтобы предотвратить возникновение ошибок или сбоев в работе устройства.

Оборудование обрело повышенный спрос в сфере электроники для регулирования напряжения и обеспечения постоянного тока. Используется во многих приборах, включая блоки питания, стабилизаторы, источники питания для электронных устройств и другие системы, где необходимо обеспечить стабильную работу электроники.

Преимущества использования прибора включают надежность, низкую стоимость и широкий диапазон рабочих режимов. Стабилитрон обладает высокой точностью и малыми показателями температурных коэффициентов, эффективно работает в различных условиях.

Устройство

В литературе и на практике вах стабилитрона называют еще Zener-диодом. Представляет собой полупроводниковое устройство, состоящее из p-n-перехода. В основе его механизма лежит эффект пробоя Zener, при котором диод способен пропускать обратный ток при достижении определенного обратного напряжения.

Структура включает в себя два слоя полупроводникового материала: p-типа и n-типа. При сборке p- и n-слоев возникает p-n-переход. Один из концов подключается к p-слою, а другой — к n-слою. При прямом напряжении (анод — положительный, катод — отрицательный) диод ведет себя как обычный диод и имеет обратное падение показателей в диапазоне около 0,6–0,7 В для кремниевых вариантов.

Основное отличие стабилитрона от обычного диода заключается в его режиме обратного напряжения. Когда обратное достигает уровня пробоя Zener, и прибор начинает пропускать обратный ток. При этом результат почти постоянный и не превышает определенного значения, которое называется напряжением стабилизации. Позволяет использовать стабилитрон в электрических цепях.

Для обеспечения более высоких нагрузок в современных стабилитронах используют специальные профилированные p-n-переходы и малые размеры pn-структуры. Позволяют добиться высокой точности стабилизации и минимальных изменений выходного значения при вариациях входного показателя и температуры.

На рисунке ниже представлен стабилитрон и его уго (условно-графическое обозначение по ГОСТ), вольт-амперная характеристика.

Согласно ЕСКД размеры УГО диодов должны составлять 5/5 мм.

Основные параметры

Параметр	Значение
Тип устройства	Полупроводниковый диод
Рабочее напряжение (Vz)	Обычно от 2 до 200 вольт
Ток стабилизации (Iz)	Зависит от конкретной модели стабилитрона
Точность стабилизации	Обычно около 5%
Температурный коэффициент (TC)	Обычно около 0.1% на градус Цельсия
Максимальная мощность (P)	От нескольких милливатт до нескольких ватт
Максимальное обратное напряжение (Vr)	От нескольких десятков до нескольких сотен вольт
Максимальный прямой ток (If)	От нескольких миллиампер до нескольких ампер
Время восстановления (trr)	Обычно от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд
Корпус и монтаж	Обычно металловакуумный герметичный корпус с двумя выводами
Применение	Используется для стабилизации напряжения в различных электронных схемах, защиты от перенапряжений и др.

Принцип работы

Он основан на явлении пробоя полупроводникового перехода в обратном направлении.

Приложенное к прибору напряжение должно быть больше его стабилизационного значения.

Когда достигается значение стабилизационного (Vz), pn-переход становится пробитым и начинает пропускать электрический ток в обратном направлении. Стабилитрон поддерживает постоянное значение независимо от величины в пределах допустимых границ.

Как только ток начинает протекать через пробитый pn-переход, напряжение остается почти постоянным (Vz). При превышении (Vz) стабилитрона, увеличивается напряжение, что предотвращает повышение тока за пределами заданного значения.

Приборы могут иметь небольшую коррекцию значений (например, ±5%). При применении напряжений в пределах заданного диапазона, стабилитрон будет поддерживать постоянное значение на своих выводах с определенной точностью.

Типы стабилитронов

Стабилитроны (или диоды Шоттки) являются полупроводниковыми приборами, предназначенными для стабилизации напряжения. В зависимости от характеристик и конструкции стабилитроны могут быть различных типов. Вот некоторые из них:

1. На основе цинкового оксида (Zener-стабилитроны). Это самый распространенный тип. Они основаны на режиме обратного пробоя в полупроводниковом переходе. При достижении определенного обратного напряжения Zener-стабилитроны начинают пропускать ток, поддерживая почти постоянное напряжение на своих выводах.
2. На основе германия (Germanium-стабилитроны). Такой тип использует германиевый полупроводниковый материал вместо кремния. Они работают по тому же принципу, что и Zener-стабилитроны, но обычно имеют более низкое рабочее состояние.
3. На основе селена (Selenium-стабилитроны). В них используют селен в качестве полупроводникового материала. Они имеют более высокое рабочее состояние, чем Zener-стабилитроны, и обычно применяются в высоковольтных приложениях.
4. На основе кремния (Silicon-стабилитроны). Используется кремний в качестве полупроводникового материала. Имеют высокую стабильность и широкий диапазон рабочих режимов.
5. Другие виды. Существует также ряд других специализированных стабилитронов, включая диоды туннеля и диоды с поверхностным пробоем (avalanche diodes). Они обладают уникальными характеристиками.

Значение маркировки стабилитронов

Маркировка обычно состоит из комбинации букв и цифр, которая указывает на их параметры и характеристики.

Расшифровка обозначений

Классификация может варьироваться в зависимости от производителя и серии. Обычно маркировка включает следующие элементы:

1. Буквенные обозначения:
   • Z: означает стабилитрон (Zener diode);
   • TVS: обозначает стабилитрон с ограничителем перенапряжения (Transient Voltage Suppressor).
2. Числовые обозначения указывают на номинальное значение стабилитрона или иные характеристики.
3. Дополнительные символы: буквы или символы, добавленные к основной маркировке, означают другие параметры стабилитрона, такие как температурный диапазон, тип корпуса и т. д.

Определение номинала по маркировке

Как же определить номинал стабилитрона по его маркировке? Требуются знания конкретной системы обозначений, используемой производителем. Обычно номинальный показатель указывается числовым значением в маркировке. Например, если Zener «12V», то его номинальное напряжение составляет 12 вольт.

Если есть сомнения, как определить номинал стабилитрона, рекомендуется обратиться к документации производителя или спецификациям компонента.

Цветовая маркировка и ее значение

Цветовая маркировка стабилитронов	Значение
Зеленый	3.3 В
Синий	5.1 В
Красный	6.8 В
Желтый	9.1 В
Оранжевый	12 В
Белый	15 В
Зеленый и синий	18 В
Зеленый и красный	24 В
Зеленый и желтый	30 В
Зеленый и оранжевый	36 В
Зеленый и белый	39 В
Зеленый, синий и красный	51 В
Зеленый, синий и желтый	57 В
Зеленый, синий и оранжевый	75 В
Зеленый, синий, красный и желтый	100 В

Особенности маркировки стабилитронов в стеклянном корпусе

В стеклянном корпусе наблюдается отсутствие полосок цветовой маркировки, как это может быть у SMD-стабилитронов или вариантов в пластмассовом корпусе.

Вместо этого на стеклянных типах обычно присутствует буквенно-цифровая маркировка, которая указывает на их параметры. Это может быть серия, модель или другие характеристики, заданные производителем.

Как проверить работоспособность стабилитрона

Для проверки работоспособности можно применить несколько методов. Одним из способов является использование мультиметра для измерения стабилизационного напряжения (Vz) и прямого тока (If) при определенных условиях. Если измеренные значения близки к заявленным параметрам стабилитрона, то можно сделать вывод о его работоспособности. Также рекомендуется проверить прибор на наличие видимых повреждений или признаков неисправности.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Представляет собой график зависимости пробивного тока (If) от пробивного напряжения (Vf). Он демонстрирует, как диод реагирует на изменение напряжения, пропуская пробивной ток через pn-переход. ВАХ стабилитрона имеет характерную кривую, которая обычно имеет некоторую наклонную часть и затем выходит на плато, где ток остается практически постоянным при увеличении показаний U. Это позволяет стабилитрону стабилизировать работу на своих выводах.

Анализ графика вах стабилитрона

Анализ позволяет получить информацию о его характеристиках и работе. График ВАХ помогает определить стабилизационное напряжение (Vz), точность стабилизации, ток пробоя (If) и другие характеристики. Он указывает на наличие неисправностей или повреждений, если форма графика не соответствует ожидаемым характеристикам. Анализ ВАХ стабилитрона полезен при выборе и использовании устройства.

Влияние дифференциального сопротивления на характеристику стабилитрона

Сопротивление (rd) — важный параметр диода. Определяет, насколько изменяется U при изменении тока через него. При выборе стабилитрона важно учитывать его дифференциальное сопротивление для достижения требуемых характеристик работы.

Более низкое обеспечивает наиболее точное и стабильное напряжение на стабилитроне. Высокое — может привести к большим изменениям напряжения при изменении тока и снизить эффективность стабилизации. 

Схемы включения стабилитрона

Существуют различные схемы включения стабилитрона для разного рода задач. Некоторые из наиболее распространенных — включение прибора в режимах:

1. Прямого подключения (шунтирование) — подсоединяют параллельно нагрузке и используют для стабилизации напряжения.
2. Обратного подключения — устанавливают подключение в обратном направлении, эксплуатируют для защиты от перенапряжений.
3. Резистивного делителя — используют для создания стабильного опорного напряжения.

Практическое использование стабилитрона

Некоторые из практических сфер использования включают стабилизацию показаний в источниках питания, защиту электронных устройств от перенапряжений, создание опорного напряжения в электронных схемах.

Стабилитроны являются важным элементом в электронике и электротехнике, обеспечивая стабильность и защиту от перенапряжений. При выборе и использовании такого прибора важно учитывать его параметры, вольт-амперную характеристику, схемы включения и требования конкретного приложения для достижения оптимальной работы и надежности.