Стабилитрон. Принцип работы, вольт-амперная характеристика.

После изучения диодов, их принципа работы и устройства самым логичным шагом будет рассмотреть и еще один полезнейший элемент многих электрических схем – стабилитрон! Также его называют диодом Зенера, в честь физика Кларенса Зенера, которому и принадлежит гордое звание изобретателя стабилитрона. В 1930-х годах Зенер изучал явления электрического пробоя в диэлектриках, результаты его исследований и легли в основу работы диодов Зенера.

Стабилитрон – это диод, который предназначен для работы на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в режиме пробоя. Как вы помните, рабочая область обычного диода находится наоборот на прямой ветви. Я уже упомянул термин “пробой”, так что давайте разберемся подробнее с этим явлением…

Итак, различают три типа или механизма пробоя:

• туннельный
• лавинный
• тепловой

Именно первый тип пробоя и открыл К. Зенер в своих работах. Туннельный пробой связан, в свою очередь, с туннельным эффектом, то есть явлением проникновения электронов через узкий потенциальный барьер на границе p-n перехода. Это приводит к тому, что электроны начинают проходить из p-области в область n-типа, что, в свою очередь, вызывает резкое возрастание обратного тока через p-n переход.

Лавинный пробой связан с тем, что движущиеся в сильном электрическом поле частицы могут приобретать кинетическую энергию, величины которой достаточно для ударной ионизации молекул или атомов материала. То есть электрон или дырка, разогнавшись, сталкиваются с атомом вещества, в результате чего образуется пара противоположно заряженных частиц. Все это становится возможным, если кинетическая энергия этих частиц до столкновения имела достаточную величину. Так вот, в итоге, образовавшиеся частицы (либо одна из них) также начинают разгоняться под действием сильного поля и также врезаются в атом материала 🙂 В итоге весь процесс повторяется снова и снова, как лавина, собственно, из-за этого пробой и получил свое название.

Тепловой же пробой куда более прозаичен. Из-за увеличения обратного напряжения p-n переход нагревается и затем разрушается. В отличие от туннельного и лавинного пробоя, которые являются обратимыми, тепловой пробой – необратим.

На обратимости механизмов пробоя, в общем-то, и строится принцип работы стабилитрона. Именно ситуация, при которой он находится в состоянии лавинного или туннельного пробоя, и является для диода Зенера рабочей! Из этого же вытекает и основное отличие стабилитрона от обычного диода. Стабилитрон проектируется таким образом, чтобы туннельный, либо лавинный, либо оба этих типа пробоя возникали гарантированно и задолго до того, как в устройстве возникнет тепловой пробой (ведь тепловой пробой просто выведет элемент из строя – окончательно и бесповоротно).

Принято считать, что разным механизмам пробоя соответствуют величины обратных напряжений:

• U_{пробоя} < 4.5 В – преобладает туннельный пробой
• 4.5 В \leqslant U_{пробоя} \leqslant 6.7 В – оба типа пробоя возникают одновременно
• U_{пробоя} > 6.7В – лавинный пробой

Все эти характеристики стабилитрона можно изобразить следующим образом:

Тут стоит отметить два важных нюанса. Во-первых, эти значения не являются строго точными. Для разных диодов, разных способов изготовления, величины могут быть другими. Но, в целом, идея неизменна – существует некая область, в пределах которой оба механизма пробоя сосуществуют вместе. Второй интересный момент заключается в том, что температурный коэффициент лавинного и туннельного пробоя имеют разные знаки:

• при туннельном пробое температурный коэффициент напряжения (ТКН) отрицательный, поскольку с увеличением температуры напряжения пробоя уменьшается.
• при лавинном же пробое ТКН положительный, то есть все наоборот – увеличение температуры ведет к увеличению напряжения пробоя.

Итак, мы разобрались с принципом работы стабилитрона, протекающими процессами и с тем, что рабочий режим диода Зенера лежит в области обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона:

При увеличении обратного напряжения в определенный момент наступает пробой и ток через стабилитрон резко возрастает. При этом напряжение напротив остается практически неизменным, то есть стабилизированным. В этом и заключается идея использования стабилитронов в электрических цепях 🙂

На схеме я отдельно выделил несколько точек, давайте по ним пробежимся:

• I_{ст \medspace мин} – минимальное значение обратного тока. Если ток имеет меньшее значение, то стабилитрон закрыт.
• I_{ст} – номинальное значение обратного тока. Обычно указывается производителем в документации и может составлять около 30% от максимального тока стабилизации.
• I_{ст \medspace макс} – вот и он, уже упомянутый максимальный ток стабилизации. Эта величина ограничена максимальной рассеиваемой мощностью прибора. При превышении этого значение как раз-таки и произойдет пресловутый тепловой пробой, который выведет стабилитрон из строя.

Каждому из этих значений тока соответствует определенное значение напряжения, которое также указывается в справочнике/документации на конкретный элемент.

Теперь для наглядной демонстрации рассмотрим практический пример схемы со стабилитроном. Кстати на принципиальных электрических схемах он обозначается следующим образом:

А так выглядит базовая схема, в отличие от диода полярность включения стабилитрона обратная:

Выберем какой-нибудь конкретный экземпляр, например, 1N4733A. Его характеристики приведены ниже:

Итак, начинаем подавать на вход напряжение:

Как видите, подаваемое напряжение не превышает напряжение стабилизации, поэтому на выходе наблюдаем то же значение, что и на входе. Увеличиваем напряжение:

И здесь уже ситуация меняется, стабилитрон начинает выполнять свою работу! Поднимаем напряжение еще выше:

Стабилизация напряжения налицо! Вот, в общем-то, мы наглядно проверили принцип работы стабилитрона, теоретические аспекты которого изучили ранее 🙂

На этом заканчиваем сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание!