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.

Механизм лавинного пробоя.

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:

Характеристика стабилитрона.

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:

Вольт-амперная характеристика 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:

Обозначение диода Зенера на схеме.

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

Схема включения стабилитрона.

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

Минимальное напряжение стабилизации, В 4.8
Номинальное напряжение стабилизации, В 5.1
Максимальное напряжение стабилизации, В 5.3
Минимальный ток стабилизации, мА 49
Максимальный ток стабилизации, мА 178

Итак, начинаем подавать на вход напряжение:

Пример схемы со стабилитроном.
U_{вых} = 3 В

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

Стабилизация напряжения.
U_{вых} = 5 В

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

Принцип работы стабилитрона.
U_{вых} = 5.05 В
Пример использования диода Зенера.
U_{вых} = 5.11 В

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!

Поделиться!

Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments

Присоединяйтесь!

Profile Profile Profile Profile Profile
Vkontakte
Twitter

Язык сайта

Август 2020
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31  

© 2013-2020 MicroTechnics.ru