Стабилитроны и стабисторы: общая информация

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений Iст.max и Pmax стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки RH. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UCT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (UEB) и коллекторного тока IK, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = UCT). Поскольку ток IСТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки IН.

Коэффициент стабилизации будет равен

где RVT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где Re и Rb – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление Re существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление Re быстро возрастает и это приводит к увеличению RVT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение Re можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки RH. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор RH, а соответственно и напряжения (U1 = UST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора IB и ток стабилизации связаны между собой соотношением IB + IST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где Rk – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Обычно kST ≈ 15…20.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Области применения 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 распространенности 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.

Основные параметры стабилитронов

1. Uст 2. Дифференциальное сопротивление Rдиф = 0.5 – 200 Ом 3. Iст min ток стабилизации минимальный 4. Iст max ток стабилизации максимальный Imax≈ Pmax/Uст В качестве стабилитронов применяют кремниевые диоды, обладающие большой устойчивостью к тепловому пробою. Кремниевые стабилитроны используются для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней U в различных схемах Группы маломощных диодов в виде диодных матриц и диодных сборок используются в логических устройствах дешифраторах и других элементах ВТ. Стабилитрон в схему стабилизации обычно включают так, чтобы p-n-переход был смещен в обратном направлении. Для стабилизации малых напряжений U = 1 — 1.5B используют стабисторы

Устройство маломощного стабилитрона

с гибкими выводами в пластиковом (вверху) и стеклянном (внизу) корпусах

Рис Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в пластиковом корпусе

Рис. Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в стеклянном корпусе

У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой пробой носит лавинный характер. Для обеспечения электрического пробоя при относительно небольших обратных напряжениях напряженность электрического поля в p-n-переходе должна быть значительно выше, чем у обычных диодов, поэтому при изготовлении стабилитронов используют материалы с высокой концентрацией примесей.

Схема для проверки

Рассмотрим еще одну простейшую схему для определения напряжения стабилизации, которая состоит из:

  • Регулируемого блока питания. Постоянное напряжение должно изменяться плавно потенциометром от 0 до 50 В (чем выше максимальное напряжение тем больший диапазон элементов вы сможете проверить). Это позволит проверить практически любой маломощный стабилитрон.
  • Набор токоограничивающих резисторов. Обычно они имеют номинал 1 Ком, 2,2 Ком и 4,7 Ком, но их может быть и больше. Все зависит от напряжения и тока стабилизации.
  • Вольтметр, можно использовать обыкновенный мультиметр.
  • Колодка с подпружиненными контактами. Она должна иметь несколько ячеек, чтобы была возможность подключать полупроводники с различными корпусами.

Для проверки подключают стабилитрон по вышеприведенной схеме и постепенно поднимают напряжение на источнике питания от 0. При этом контролируют показания вольтметра. Как только напряжение на элементе перестанет расти, независимо от его увеличения на блоке питания, это и будет стабилизацией по напряжению.

Если на элементе есть маркировка, то полученные при измерении данные сверяют с таблицей в справочнике по параметрам.

Отметим, что стабилитроны могут выпускаться в различном исполнении. Например, КС162 производятся в керамических корпусах, КС133 в стеклянных, Д814 и Д818 в металлических.

Приведем характеристики некоторых распространенных отечественных стабилитронов:

  • КС133а напряжение стабилизации равно 3,3 В, выпускаются в стеклянном корпусе;
  • КС147а поддерживает напряжение на уровне 4,7 В, корпус стеклянный;
  • КС162а– 6,2 В, корпус из керамики;
  • КС175а – 7,5 В, имеет керамический корпус;
  • КС433а – 3,3 В, выпускают в металлическом корпусе;
  • КС515а – 15 В, корпус из металла;
  • КС524г – в керамическом корпусе с напряжением 24 В;
  • КС531в – 31 В, керамический корпус;
  • КС210б – напряжение стабилизации 10 В, корпус из керамики;
  • Д814а – 7-8,5 В, в металлическом корпусе;
  • Д818б – 9 В, металлический корпус;
  • Д817б – 68 В, в корпусе из металла.

Для проверки стабилитрона с большими напряжениями стабилизации применяется другая схема, которая представлена на рисунке снизу.

Проверка производится аналогично описанному способу. Похожие приборы выпускаются китайскими производителями.

Однако, можно собрать простейшую схему для проверки стабилитронов с применением мультиметра. Это хорошо показано на видео далее.

Советуем изучить — Однофазные выпрямители: типовые схемы, осциллограммы и моделирование

https://youtube.com/watch?v=XpzTbRWjBR8

Следует предупредить, что показанную на видео электрическую схему применять не рекомендуется, т.к. она небезопасна и требует соблюдения техники безопасности. В противном случае можно получить травму (в лучшем случае).

Обозначения работы элемента электросхемы

Схематическое обозначение стабилитрона

Поскольку стабилитрон представляет собой специальный диод, то его обозначение не отличается от них. Схематически smd обозначается следующим образом:

Стабилитрон, как и диод, имеет в своем составе катодную и анодную часть. Из-за этого имеется прямое и обратное включение данного элемента.

Включение стабилитрона

На первый взгляд, включение такой диод имеет неправильное, ведь он должен подключаться «наоборот». В ситуации подачи на смд обратного напряжения наблюдается явление «пробоя». В результате чего напряжение между его выводами остается неизменным. Поэтому он должен быть последовательно подключен к резистору с целью ограничения проходящего через него тока, что будет обеспечивать падение «лишнего» напряжения от выпрямителя.

Из-за того, что каждый стабилитрон обладает такими характеристиками, для него можно рассчитать номинал резистора, который будет подключаться с ним последовательно. У импортных стабилитронов их напряжение стабилизации представлено в виде маркировки, нанесенной на корпусе (стеклянном или нет). Обозначение такого диода smd всегда начинается с BZY… или BZX…, а их напряжение пробоя (стабилизации) имеет маркировку V. Например, обозначение 3V9 расшифровывается как 3.9 вольта.

Схемы включения стабилитрона

Основная схема включения стабилитрона – последовательно с резистором, который задает ток через полупроводниковый прибор и берет на себя излишек напряжения. Два элемента составляют обычный делитель. При изменении входного напряжения падение на стабилитроне остается постоянным, а на резисторе изменяется.

Такая схема может использоваться самостоятельно и называется параметрическим стабилизатором. Он поддерживает напряжение на нагрузке постоянным, несмотря на колебания входного напряжения или потребляемого тока (в определенных пределах). Подобный блок ещё используют в качестве вспомогательной схемы там, где нужен источник образцового напряжения.

Подобное включение также применяется в качестве защиты чувствительного оборудования (датчиков и т.п.) от нештатного появления высокого напряжения в линии питания или измерения (постоянного или случайных импульсов). Все, что выше напряжения стабилизации полупроводникового прибора, «срезается». Такая схема называется «барьером Зенера».

Раньше свойство стабилитрона «срезать» верхушки напряжения широко использовалось в схемах формирователей импульсов. В цепях переменного тока применялись двуханодные приборы.

Но с развитием транзисторной техники и появлением интегральных микросхем такой принцип стал использоваться редко.

Если под рукой отсутствует стабилитрон на нужное напряжение, его можно составить из двух. Общее напряжение стабилизации будет равно сумме двух напряжений.

Хотя в технической документации времен СССР разрешается параллельное включение зенеров в параллель, но с оговоркой, что приборы должны быть однотипные и суммарная фактическая мощность рассеяния в процессе эксплуатации не должна превышать допустимую для единичного стабилитрона. То есть, увеличения рабочего тока при таком условии не добиться.

Для повышения допустимого тока нагрузки используется другая схема. Параметрический стабилизатор дополняется транзистором, и получается эмиттерный повторитель с нагрузкой в цепи эмиттера и стабильным напряжением на базе транзистора.

В этом случае выходное напряжение стабилизатора будет меньше Uстабилизации на величину падения напряжения на эмиттерном переходе – для кремниевого транзистора около 0,6 В. Чтобы скомпенсировать это уменьшение, можно включить последовательно со стабилитроном диод в прямом направлении.

Таким способом (включением одного или нескольких диодов) можно подкорректировать выходное напряжение стабилизатора в большую сторону в небольших пределах. Если надо радикально повысить Uвых, лучше включить последовательно ещё одни стабилитрон.

Сфера применения стабилитрона в электронных схемах обширна. При осознанном подходе к выбору этот полупроводниковый прибор поможет решить множество задач, поставленных перед разработчиком.

Что такое полупроводниковый диод, виды диодов и график вольт-амперной характеристики

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Описание, технические характеристики и аналоги выпрямительных диодов серии 1N4001-1N4007

Что такое варистор, основные технические параметры, для чего используется

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Что такое тиристор, как он работает, виды тиристоров и описание основных характеристик

Проверяем фотодиод

При простой проверке измеряется обратное и прямое сопротивление помещенного под источник света радиоэлемента, после чего его затемняют и повторяют процедуру. Для более точного тестирования потребуется снять вольтамперную характеристику, сделать это можно при помощи несложной схемы.


Пример схемы для снятия вольтамперных характеристик

Для засветки фотодиода в процессе тестирования можно использовать в качестве источника освещения лампу накаливания мощностью от 60Вт или поднести радиодеталь к люстре.

У фотодиодов иногда встречается характерный дефект, который проявляется в виде хаотического изменения тока. Для обнаружения такой неисправности необходимо подключить тестируемый элемент так, как это показано на рисунке, и измерять величину обратного тока в течение пары минут.


Проверка на «ползучесть»

Если в процессе тестирования уровень тока будет оставаться неизменным, значит, фотодиод можно считать рабочим.

Тестирование без выпайки.

Как показывает практика, протестировать диод не выпаивая, когда он находится на плате, как и другие радиодетали (например, транзистор, конденсатор, тиристор и т.д.), не всегда удается. Это связано с тем, что элементы в цепи могут давать погрешность. Поэтому перед тем, как проверить диод, его необходимо выпаять.

Внешне стабилитрон похож на диод, выпускается в стеклянном и металлическом корпусе. Его главное свойство заключается в сохранении постоянного напряжения на своих выводах при достижении определенного потенциала. Это наблюдается у него при достижении напряжения туннельного пробоя.

Обычные диоды при таких значениях быстро доходят до теплового пробоя и перегорают. Стабилитроны, их еще называют диодами Зенера, в режиме туннельного или лавинного пробоя могут находиться постоянно, без вреда для себя, не доходя до теплового пробоя. Прибор изготавливается из монокристаллического кремния, в электронной аппаратуре выступает как стабилизатор или опорное напряжение. Высоковольтные защищают от перенапряжений, интегральные стабилитроны со скрытой структурой используются в качестве эталонного напряжения в аналого-цифровых преобразователях.

Читать также: Параметры шероховатости поверхности таблица

Классификация стабилитронов

В настоящее время выпускается широкая номенклатура стабилитронов, но вся их масса классифицируется по функциональным характеристикам и конструкции. В зависимости от параметров данные радиокомпоненты подразделяются на следующие классы:

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

Прецизионные отличаются высокой точностью стабилизации напряжения . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Отклонения стабилизируемой разности потенциалов на выходе такой детали не превышают 0,0001%. Точность сильно зависит от времени жизни прецизионного стабилитрона и температуры полупроводника. В связи с этим в отношении этих радиокомпонентов введены эксплуатационные нормы, которые должны постоянно контролироваться в процессе использования аппаратуры. 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 соединенных катодами. И, наконец, стабилитроны третьего типа – быстродействующие – отличаются пониженной барьерной емкостью, 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.

Стабилитроны и стабисторы. Устройство, принцип работы, основные параметры

Полупроводниковый стабилитрон – это диод, предназначением которого является стабилизация напряжения на нагрузке за счет работы в режиме электрического пробоя. Для изготовления стабилитрона в кристалл с проводимостью n-типа добавляют акцепторные примеси диффузионно-сплавным или сплавным методом. В качестве акцепторных примесей могут использовать алюминий, получая, таким образом, электронно-дырочный p-n переход. После получения данного перехода кристаллы стабилитрона заключают в герметичный корпус из стекла, металла или пластика.

Характеристика стабилитрона:

При прямом включении характеристика стабилитрона практически не будет иметь отличий от характеристики диода, а вот вольт-амперная характеристика при обратном подключении имеет существенную особенность – в режиме электрического пробоя стабилитрон будет иметь практически неизменное напряжение в довольно большом диапазоне токов. Именно это свойство стабилитронов и позволяет использовать их в качестве стабилизаторов напряжения на нагрузке. Как и любой элемент, стабилитрон тоже имеет свои основные параметры:

  • Напряжение стабилизации Uст – падение напряжения, возникающее при протекании через стабилитрон тока номинального Iст;
  • Минимальный стабилизационный ток – это ток, необходимый для возникновения электрического пробоя в элементе;
  • Максимальный стабилизационный ток – предельный ток, при котором электрический пробой не перерастет в тепловой;
  • Максимальная мощность рассеивания – предельная мощность, при которой в p-n переходе не произойдет теплового пробоя;
  • Дифференциальное сопротивление – отношения напряжения стабилизации к току стабилизации Rдиф = ∆Uст/∆Iст. Такое сопротивление может колебаться от долей Ома (низковольтные стабилитроны), до тысяч Ом (для высоковольтных устройств);
  • Температурный коэффициент стабилизации – можно выразить как отношение изменившегося напряжения стабилизации к номинальному значению стабилизационного напряжения , а также и к флюктуации температуры окружающей среды:

Стабилитроны могут быть изготовлены на напряжения от нескольких единиц вольт до нескольких сотен. Мощные же полупроводниковые устройства данного типа, с номинальными токами в несколько ампер, устанавливаются на охладители, для лучшего теплообмена. Также могут выпускаться устройства с несколькими, а точнее с двумя, анодами для реализации процесса стабилизации как напряжений имеющих положительную полярность, так отрицательную.

Стабисторы – маломощные диоды, назначение которых стабилизация напряжений низких, от долей единицы до вольт. Стабисторы в процессе работы используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики. Для того, что бы повысить напряжений стабилизации стабисторы могут подключатся последовательно.

Похожие материалы:

  • h-параметры биполярного транзистора и особенности включений
  • Устройство и принцип работы NPN транзистора
  • Устройство и принцип работы PNP транзистора
  • Диод. Устройство и режимы работы
  • Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам
  • Основные электроприемники жилых и общественных зданий

Устройство маломощного стабилитрона

с гибкими выводами в пластиковом (вверху) и стеклянном (внизу) корпусах

Рис Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в пластиковом корпусе

Рис. Устройство маломощного стабилитрона с гибкими выводами в стеклянном корпусе

У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой пробой носит лавинный характер. Для обеспечения электрического пробоя при относительно небольших обратных напряжениях напряженность электрического поля в p-n-переходе должна быть значительно выше, чем у обычных диодов, поэтому при изготовлении стабилитронов используют материалы с высокой концентрацией примесей.

Замер напряжения стабилизации

Необходимо собрать небольшую схему. Для этого нужно последовательно соединить регулируемый источник питания (он должен показывать напряжение и ток через нагрузку), токоограничивающее сопротивление (номиналом от одного до 10 кОм, мощность рассеивания зависит от напряжения стабилизации, но берите не менее 0,125 Вт) и стабилитрон. Катод стабилитрона подключается к плюсу источника питания, анод соединяется с токоограничивающим резистором. Далее выполните следующие действия:

  1. Подключите мультиметр к стабилитрону (красный щуп к катоду, черный к аноду), переключите его в режим определения постоянного напряжения и выберите диапазон измерения до 200 В.
  2. На источнике питания установите минимальное напряжение.
  3. Включите источник питания и постепенно увеличивайте уровень напряжения на нем.
  4. Как только увидите, что начал протекать ток через схему, прекратите регулировку источника питания и отследите на мультиметре напряжение стабилизации стабилитрона.

https://youtube.com/watch?v=jpx_OTvlOmY

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.



Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки RН. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания UП и тока нагрузки IН.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки Rн тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Заключение

Эта схема наиболее простая, включает в себя наименьшее количество элементов, создает стабильное напряжение на выходе. Для работы множества электрических устройств этого стабилизатора вполне достаточно. Такой транзистор и стабилитрон рассчитаны на наибольшую силу тока 8 А. Значит, что для подобного тока необходим охлаждающий радиатор, отводящий тепло от полупроводников.

Для разработки таких стабилизаторов чаще всего применяются стабилитроны, транзисторы и стабисторы. Они имеют пониженный КПД, поэтому используются только в маломощных схемах. Чаще всего они применяются в качестве источников основного напряжения в схемах компенсации стабилизаторов напряжения. Такие параметрические стабилизаторы бывают мостовыми, многокаскадными и однокаскадными. Это наиболее простые схемы стабилизаторов, построенных на основе стабилитрона и других полупроводниковых элементов.

Похожие записи:

Micro hdmi распиновка. распиновка hdmi разъема и кабеля в картинках Электрическая схема ваз 2108, 2109, 21099 с «высокой» панелью приборов, исполнения «люкс» Как найти фазу и ноль разными способами Проверка высоковольтного трансформатора микроволновки мультиметром и другими приборами Российские электрические розетки против американских розеток Стандарты маркировки резисторов по сопротивлению и мощности: описание и расшифровка