3.11: Що таке стабілітрони?

Що таке стабілітрон?

Стабілітрон - це особливий тип випрямляючого діода, який може впоратися з поломкою через зворотну напругу пробою без повного виходу з ладу. Тут ми обговоримо концепцію використання діодів для регулювання падіння напруги та те, як стабілітрон працює в режимі зворотного зміщення для регулювання напруги в ланцюзі.

Як діоди регулюють падіння напруги

Якщо ми з'єднаємо діод і резистор послідовно з джерелом напруги постійного струму так, щоб діод змістився вперед, падіння напруги на діоді залишиться досить постійним в широкому діапазоні напруг живлення, як на малюнку нижче (а).

Струм через зміщений вперед PN-перехід пропорційний e підвищений до потужності прямого падіння напруги. Оскільки це експоненціальна функція, струм зростає досить швидко при скромному збільшенні падіння напруги.

Інший спосіб розгляду цього полягає в тому, щоб сказати, що напруга, що знизилася на прямому зміщеному діоді, мало змінюється для великих варіацій діодного струму. У схемі, показаній на малюнку нижче (а), діодний струм обмежений напругою джерела живлення, послідовного резистора та падіння напруги діода, яке, як ми знаємо, не сильно варіюється від 0,7 вольт.

Вперед зміщений посилання Si: (а) одиночний діод, 0.7V, (b) 10-діоди серії 7.0V.

Якби напруга джерела живлення потрібно було збільшити, падіння напруги резистора збільшилося б майже на стільки ж, а напруга діода трохи впаде. І навпаки, зниження напруги джерела живлення призведе до майже однакового зменшення падіння напруги резистора, при невеликому зменшенні падіння напруги діода.

Одним словом, ми могли б підсумувати таку поведінку, сказавши, що діод регулює падіння напруги приблизно на 0,7 вольт.

Використання регулювання напруги

Регулювання напруги - корисна властивість діода експлуатувати. Припустимо, ми будували якусь схему, яка не могла терпіти коливань напруги живлення, але потребувала живлення від хімічної батареї, напруга якої змінюється протягом усього терміну служби. Ми могли б сформувати схему, як показано вище, і підключити ланцюг, що вимагає постійної напруги на діоді, де він отримає незмінний 0,7 вольт.

Це, безумовно, спрацює, але більшість практичних схем будь-якого виду вимагають напруги живлення понад 0,7 вольт для належного функціонування. Одним із способів ми могли б збільшити нашу точку регулювання напруги, було б підключити кілька діодів послідовно, щоб їх окремі передні падіння напруги на 0,7 вольта кожен додали б створити більшу загальну суму.

Наприклад, у нашому прикладі вище (b), якби ми мали десять діодів послідовно, регульована напруга була б десять разів 0,7, або 7 вольт.

Поки напруга акумулятора ніколи не просідала нижче 7 вольт, завжди було б близько 7 вольт, що падає через десятидіодний «стек».

Як стабілітрони регулюють напругу

Якщо потрібні більші регульовані напруги, ми можемо або використовувати більше діодів послідовно (неелегантний варіант, на мій погляд), або спробувати принципово інший підхід.

Ми знаємо, що пряма напруга діода - досить постійна цифра при широкому діапазоні умов, але так само і зворотна напруга пробою. Напруга пробою зазвичай набагато, набагато більше, ніж пряма напруга.

Якби ми змінили полярність діода в нашій схемі однодіодного регулятора і підвищили напругу живлення до того моменту, коли діод «зламався» (тобто він вже не міг витримати напругу зворотного зміщення, враженого поперек нього), діод аналогічно регулював би напругу при цьому пробою точка, не дозволяючи їй збільшуватися далі. Це показано на малюнку нижче (а).

(а) Зворотний упереджений Si малосигнальний діод виходить з ладу приблизно на 100 В. (б) Символ стабілітрона.

На жаль, коли нормальні випрямні діоди «ламаються», вони зазвичай роблять це руйнівно. Однак можна побудувати особливий тип діода, який зможе впоратися з поломкою без повного виходу з ладу. Цей тип діода називається стабілітроном, а його символ зображений на малюнку вище (б).

При зміщенні вперед стабілітрони поводяться приблизно так само, як і стандартні випрямляючі діоди: вони мають пряме падіння напруги, яке слідує за «рівнянням діода» і становить близько 0,7 вольт. У режимі зворотного зміщення вони не проводять до тих пір, поки прикладена напруга не досягне або не перевищить так зване стабілітрон, в цей момент діод здатний проводити істотний струм, і при цьому спробує обмежити напругу, що скидається на ньому, до цієї точки стабілітрону напруги. До тих пір, поки потужність, розсіюється цим зворотним струмом, не перевищує теплових меж діода, діоду не буде завдано шкоди. З цієї причини стабілітрони іноді називають «пробивними діодами».

Стабілітрон ланцюга

Стабілітрони виготовляються з напругою Зенера в діапазоні від декількох вольт до сотень вольт. Ця напруга стабілітрону трохи змінюється з температурою, і, як і звичайні значення резистора з вуглецевим складом, може бути десь від 5 відсотків до 10 відсотків похибки від специфікацій виробника. Однак ця стабільність та точність, як правило, достатньо хороші для того, щоб стабілітрон використовувався як пристрій регулятора напруги в загальній схемі живлення на малюнку нижче.

Схема стабілітрона стабілітрона, напруга стабілітрона = 12.6V

Будь ласка, зверніть увагу на орієнтацію стабілітрона в наведеній вище схемі: діод є зворотним зміщенням, і навмисно так. Якби ми орієнтували діод «звичайним» способом, щоб бути упередженим вперед, він би впав лише 0,7 вольт, як і звичайний випрямляючий діод. Якщо ми хочемо використовувати властивості зворотного пробою цього діода, ми повинні керувати ним у режимі зворотного зміщення. Поки напруга джерела живлення залишається вище напруги стабілітрона (12,6 вольт, в даному прикладі), напруга, знижена на стабілітроні, залишатиметься приблизно на рівні 12,6 вольт.

Як і будь-який напівпровідниковий прилад, стабілітрон чутливий до температури. Надмірна температура зруйнує стабілітрон, а оскільки він одночасно знижує напругу і проводить струм, він виробляє власне тепло відповідно до Закону Джоуля (P=IE). Тому потрібно бути обережним, щоб спроектувати схему регулятора таким чином, щоб показник розсіювання потужності діода не перевищувався. Цікаво, що коли стабілітрони виходять з ладу через надмірне розсіювання потужності, вони зазвичай виходять з ладу закорочені, а не відкриваються. Діод вийшов з ладу таким способом легко виявляється: він падає майже нульова напруга при зміщенні в будь-якому випадку, як шматок дроту.

Розглянемо схему регулювання стабілітрону математично, визначаючи всі напруги, струми і розсіювання потужності. Беручи ту ж форму схеми, показаної раніше, ми будемо виконувати розрахунки, припускаючи, що напруга стабілітрону 12,6 вольт, напруга живлення 45 вольт і значення послідовного резистора 1000 Ом (ми будемо вважати напругу стабілітрону рівно 12,6 вольт, щоб уникнути необхідності кваліфікувати всі цифри як» приблизний» на малюнку нижче (а)

Якщо напруга стабілітрона 12,6 вольт, а напруга блоку живлення - 45 вольт, то на резисторі буде скинуто 32,4 вольта (45 вольт - 12,6 вольта = 32,4 вольта). 32,4 вольта, що скидається на 1000 Ом, дає 32,4 мА струму в ланцюзі. (Малюнок нижче (b))

(а) Стабілітрон стабілітрон з резистором 1000 Ом. (б) Розрахунок перепадів напруги та струму.

Потужність розраховується множенням струму на напругу (P = IE), тому розрахувати розсіювання потужності як для резистора, так і для стабілітрона досить легко:

Стабілітрон з потужністю 0,5 Вт був би адекватним, як і резистор, розрахований на 1,5 або 2 Вт розсіювання.

Якщо надмірне розсіювання потужності згубно, то чому б не спроектувати схему для найменшої кількості можливого розсіювання? Чому б не просто розмір резистора для дуже високого значення опору, тим самим сильно обмежуючи струм і зберігаючи показники розсіювання потужності дуже низькими? Візьмемо цю схему, наприклад, з резистором 100 кОм замість резистора 1 кОм. Зверніть увагу, що і напруга живлення, і напруга стабілітрону діода на малюнку нижче ідентичні останньому прикладі:

Стабілітрон з резистором 100 кОм.

Маючи лише 1/100 струму, який ми мали раніше (324 мкА замість 32,4 мА), обидва показники розсіювання потужності повинні бути в 100 разів меншими:

Здається ідеальним, чи не так? Менше розсіювання потужності означає більш низькі робочі температури як для діода, так і для резистора, а також менше витраченої енергії в системі, правда? Більш високе значення опору зменшує рівень розсіювання потужності в ланцюзі, але це, на жаль, вводить іншу проблему. Пам'ятайте, що призначення схеми регулятора полягає в забезпеченні стабільної напруги для іншого ланцюга. Іншими словами, ми врешті-решт збираємося живити щось з 12,6 вольт, і це щось матиме власний струм. Розглянемо нашу першу схему регулятора, на цей раз з навантаженням 500 Ом, підключеним паралельно стабілітрону на малюнку нижче.

Стабілітрон з резистором серії 1000 Ом і навантаженням 500 Ом.

Якщо 12,6 вольт підтримується на навантаженні 500 Ом, навантаження отримає 25,2 мА струму. Для того, щоб серія 1 кОм «падаючого» резистора знизилася на 32,4 вольта (зменшуючи напругу джерела живлення 45 вольт до 12,6 через стабілітрон), він все одно повинен проводити струм 32,4 мА. Це залишає 7,2 мА струму через стабілітрон.

Тепер розглянемо нашу «енергозберігаючу» схему регулятора з падаючим резистором 100 кОм, що подає потужність на ті ж 500 Ом навантаження. Що він повинен зробити, це підтримувати 12,6 вольт на навантаженні, так само, як і останній ланцюг. Однак, як ми побачимо, вона не може виконати це завдання. (Малюнок нижче)

Стабілітрон без регулятора з резистором серії 100 KΩ з навантаженням 500 Ом.

При більшому значенні падіння резистора на місці буде тільки близько 224 мВ напруги на 500 Ом навантаження, набагато менше, ніж очікуване значення 12.6 вольт! Чому це? Якби ми насправді мали 12,6 вольт на навантаженні, він би мав 25,2 мА струму, як і раніше. Цей струм навантаження повинен був би пройти через послідовний падаючий резистор, як це робилося раніше, але з новим (набагато більшим!) падіння резистор на місці, напруга знизилася на цьому резисторі з 25,2 мА струму, що проходить через нього буде 2,520 вольт! Оскільки ми, очевидно, не маємо такої великої напруги, що подається акумулятором, цього не може статися.

Ситуацію легше зрозуміти, якщо тимчасово вийняти стабілітрон зі схеми і проаналізувати поведінку двох резисторів поодинці на малюнку нижче.

Нерегулятор зі знятим стабілітроном.

Обидва 100 кОм падіння резистор і опір навантаження 500 Ом послідовно один з одним, даючи загальний опір ланцюга 100.5 кОм. При загальній напрузі 45 вольт і загальному опорі 100,5 кОм Закон Ома (I = E/R) говорить нам, що струм буде 447,76 мкА. Фіксуючи падіння напруги на обох резисторах (E=IR), ми приходимо до 44,776 вольт і 224 мВ відповідно. Якби ми знову встановили стабілітрон в цей момент, він би «побачив» 224 мВ через нього, паралельно опору навантаження. Це набагато нижче напруги пробою стабілітрона діода і тому він не буде «ламатися» і проводити струм. З цього приводу, при цій низькій напрузі діод не проводив би, навіть якщо він був упередженим вперед! Таким чином, діод перестає регулювати напругу. Щонайменше 12,6 вольт потрібно скинути поперек, щоб «активувати» його.

Аналітична техніка видалення стабілітрона з ланцюга і бачення того, чи достатньо напруги присутній, щоб зробити його проведення, є звуковим. Тільки тому, що стабілітрон, трапляється, підключений до ланцюга, не гарантує, що повна напруга стабілітрону завжди буде падати через нього! Пам'ятайте, що стабілітрони працюють, обмежуючи напругу до якогось максимального рівня; вони не можуть заповнити недолік напруги.

Підсумовуючи, будь-яка схема регулювання стабілітрону буде функціонувати до тих пір, поки опір навантаження дорівнює або перевищує якесь мінімальне значення. Якщо опір навантаження занадто низький, він буде тягнути занадто багато струму, скидаючи занадто велику напругу на послідовному падаючому резисторі, залишаючи недостатню напругу на стабілітроні, щоб змусити його проводити. Коли стабілітрон перестає проводити струм, він більше не може регулювати напругу, і напруга навантаження опуститься нижче точки регулювання.

Наша схема регулятора з 100 кОм падіння резистор повинен бути хорошим для деякого значення опору навантаження, хоча. Щоб знайти це прийнятне значення опору навантаження, ми можемо скористатися таблицею для розрахунку опору в ланцюзі послідовної двухрезисторной (без діода), вставивши відомі значення загальної напруги і опір падаючого резистора, і розрахувавши для очікуваного напруги навантаження 12,6 вольт:

При 45 вольт загальної напруги та 12,6 вольт на навантаженні ми повинні мати 32,4 вольта через R _{падіння}:

При 32,4 вольт через падаючий резистор, і 100 кОм варто опору в ньому, струм через нього складе 324 мкА:

Будучи послідовним ланцюгом, струм дорівнює через всі компоненти в будь-який момент часу:

Розрахунок опору навантаження тепер є простою справою Закону Ома (R = E/I), що дає нам 38,889 кОм:

Таким чином, якщо опір навантаження буде рівно 38,889 кОм, на ньому буде 12,6 вольт, діод або немає діода. Будь-який опір навантаження менше 38,889 кОм призведе до напруги навантаження менше 12,6 вольт, діода або немає діода. При наявності діода напруга навантаження буде регулюватися максимум 12,6 вольт при будь-якому опорі навантаження більше 38,889 кОм.

При початковому значенні 1 кОм для падаючого резистора наша схема регулятора змогла адекватно регулювати напругу навіть для опору навантаження до 500 Ом. Те, що ми бачимо, - це компроміс між розсіюванням потужності та прийнятним опором навантаження. Більш високе значення падіння резистор дав нам менше розсіювання потужності, за рахунок підвищення прийнятного мінімального значення опору навантаження. Якщо ми хочемо регулювати напругу для опорів навантаження з низьким значенням, схема повинна бути готова обробляти більш високу розсіювання потужності.

Стабілітрони регулюють напругу, діючи як додаткові навантаження, витягуючи більш-менш струм у міру необхідності для забезпечення постійного падіння напруги на навантаженні. Це аналогічно регулюванню швидкості автомобіля шляхом гальмування, а не шляхом зміни положення дросельної заслінки: це не тільки марнотратно, але гальма повинні бути побудовані, щоб обробляти всю потужність двигуна, коли умови водіння не вимагають цього. Незважаючи на цю принципову неефективність конструкції, схеми стабілітронів діодного регулятора широко використовуються завдяки своїй простоті. У потужних додатках, де неефективність була б неприйнятною, застосовуються інші методи регулювання напруги. Але навіть тоді невеликі схеми на основі Zener часто використовуються для забезпечення «еталонної» напруги для приводу більш ефективної схеми підсилювача, що контролює основну потужність.

Стабілітрони виготовляються в стандартних номіналах напруги, перерахованих в таблиці нижче. У таблиці «Загальні напруги стабілітронів» перераховані загальні напруги для деталей 0,3 Вт і 1,3 Вт. Потужність відповідає розміру матриці та упаковки і є потужністю, яку діод може розсіювати без пошкоджень.

Стабілітрон діодний кліпер: відсічна схема, яка затискає піки форми хвилі приблизно при напрузі стабілітрону діодів. Схема на малюнку нижче має два стабілітрони, з'єднані послідовно проти симетричного затиску форми хвилі майже при напрузі стабілітрону. Резистор обмежує струм, проведений стабілітронами, до безпечного значення.

Напруга пробою стабілітронів для діодів встановлюється на рівні 10 В параметром моделі діода «bv = 10» в списку спайсів мережі на малюнку вище. Це призводить до того, що стабілітрони затискаються приблизно на 10 В. Діоди спиною до спини затискають обидва піки. Для позитивного напівперіоду верхній стабілітрон є зворотним зміщенням, руйнуючись при напрузі стабілітрону 10 В. Нижній стабілітрон падає приблизно на 0,7 В, оскільки він зміщений вперед. Таким чином, більш точний рівень відсікання становить 10+0,7=10,7В. Подібне негативне відсікання напівперіоду відбувається при -10,7 В. (Рисунок нижче) показує рівень відсікання трохи більше ± 10 В.

Стабілітрон діодний кліпер: v (1) вхід відрізаний при формі хвилі v (2).

Рецензія

• Стабілітрони призначені для роботи в режимі зворотного зміщення, забезпечуючи відносно низький, стабільний пробивний або стабілітрон напруги, при якому вони починають проводити істотний зворотний струм.
• Стабілітрон може функціонувати як регулятор напруги, виступаючи в якості додаткового навантаження, витягуючи більше струму від джерела, якщо напруга занадто висока, і менше, якщо вона занадто низька.