Стабилитрон (зенеровский диод)

Обычные кремниевые диоды блокируют любой ток через них при обратном смещении и повреждаются, когда обратное напряжение слишком велико. Поэтому эти диоды никогда намеренно не эксплуатируются в области пробоя.

Стабилитроны (зенеровские диоды), однако, отличаются. Они специально разработаны для работы в области пробоя без выхода из строя. По этой причине стабилитроны иногда называют диодами пробоя.

Стабилитроны являются основой стабилизаторов напряжения — схем, которые поддерживают напряжение на нагрузке практически постоянным, несмотря на значительные изменения напряжения сети и сопротивления нагрузки.

На следующих рисунках показаны схемные обозначения стабилитрона. В любом из обозначений линии напоминают букву «Z», что означает «Zener» (стабилитрон).

Принцип работы стабилитрона

Стабилитрон может работать в любой из трёх областей: прямого смещения, утечки и пробоя. Давайте разберёмся в этом с помощью вольт-амперной характеристики стабилитрона.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Область прямого смещения

При прямом смещении стабилитроны ведут себя так же, как обычные кремниевые диоды, и начинают проводить ток при напряжении около 0,7 В.

Область утечки

Область утечки существует между нулевым током и пробоем.

В области утечки через диод протекает небольшой обратный ток. Этот обратный ток вызван термически генерируемыми неосновными носителями заряда.

Область пробоя

Если продолжать увеличивать обратное напряжение, в конечном итоге вы достигнете так называемого напряжения стабилизации (напряжения Зенера) VZ диода.

В этой точке в полупроводниковом обеднённом слое происходит процесс, называемый лавинным пробоем, и диод начинает интенсивно проводить ток в обратном направлении.

Из графика видно, что пробой имеет очень резкий перегиб, за которым следует почти вертикальный рост тока. Обратите внимание, что напряжение на стабилитроне остаётся практически постоянным и приблизительно равным VZ на большей части области пробоя.

На графике также показан максимальный обратный ток IZ(Max). Пока обратный ток меньше IZ(Max), диод работает в безопасном диапазоне. Если ток превысит IZ(Max), диод будет разрушен.

Стабилизатор напряжения на стабилитроне

Стабилитрон поддерживает постоянное выходное напряжение в области пробоя, даже если ток через него изменяется. Это важная особенность стабилитрона, которую можно использовать в схемах стабилизации напряжения. Поэтому стабилитрон иногда называют диодом-стабилизатором напряжения.

Например, выходной сигнал однополупериодного, двухполупериодного или мостового выпрямителя состоит из пульсаций, наложенных на постоянное напряжение. Подключив простой стабилитрон к выходу выпрямителя, мы можем получить более стабильное постоянное выходное напряжение.

На следующем рисунке показан простой стабилизатор напряжения на стабилитроне (также известный как зенеровский стабилизатор).

Стабилитрон в качестве стабилизатора напряжения

Для работы стабилитрона в режиме пробоя он включается с обратным смещением путём подключения его катода к положительной клемме источника входного напряжения.

Последовательный (токоограничивающий) резистор RS подключается последовательно со стабилитроном, чтобы ток через диод был меньше его максимально допустимого значения. В противном случае стабилитрон сгорит, как и любой другой компонент, из-за слишком большой рассеиваемой мощности.

Источник напряжения VS подключён к этой цепи. Кроме того, для поддержания диода в режиме пробоя напряжение источника VS должно быть больше напряжения пробоя стабилитрона VZ.

Стабилизированное выходное напряжение Vout снимается со стабилитрона.

Работа в режиме пробоя

Чтобы проверить, работает ли стабилитрон в области пробоя, необходимо рассчитать, какое напряжение Тевенина действует на диод.

Напряжение Тевенина — это напряжение, которое существует, когда стабилитрон отключён от схемы.

Расчёт напряжения Тевенина для стабилитрона

Благодаря делителю напряжения мы можем записать:

Когда это напряжение превышает напряжение стабилизации, происходит пробой.

Ток в последовательной цепи

Напряжение на последовательном резисторе равно разнице между напряжением источника и напряжением стабилизации. Следовательно, согласно закону Ома, ток через последовательный резистор равен:

Последовательный ток остаётся одинаковым независимо от того, подключён ли резистор нагрузки. Это означает, что даже если вы отключите резистор нагрузки, ток через последовательный резистор будет равен напряжению на резисторе, делённому на его сопротивление.

Напряжение и ток нагрузки

Поскольку резистор нагрузки подключён параллельно стабилитрону, напряжение на нагрузке равно напряжению стабилизации.

Используя закон Ома, мы можем рассчитать ток нагрузки:

Ток стабилитрона

Стабилитрон и резистор нагрузки включены параллельно. Суммарный ток равен сумме их токов, что совпадает с током через последовательный резистор.

Это говорит нам о том, что ток стабилитрона равен последовательному току минус ток нагрузки.

Распространённые напряжения стабилитронов

Стабилитроны выпускаются со стандартными номиналами напряжения, перечисленными в таблице ниже. В таблице указаны распространённые напряжения для компонентов мощностью 0,3 Вт и 1,3 Вт.

Распространённые напряжения для 0,3 Вт
2,7 В	3,0 В	3,3 В	3,6 В	3,9 В	4,3 В	4,7 В
5,1 В	5,6 В	6,2 В	6,8 В	7,5 В	8,2 В	9,1 В
10 В	11 В	12 В	13 В	15 В	16 В	18 В
20 В	24 В	27 В	30 В

Распространённые напряжения для 1,3 Вт
4,7 В	5,1 В	5,6 В	6,2 В	6,8 В	7,5 В	8,2 В
9,1 В	10 В	11 В	12 В	13 В	15 В	16 В
18 В	20 В	22 В	24 В	27 В	30 В	33 В
36 В	39 В	43 В	47 В	51 В	56 В	62 В
68 В	75 В	100 В	200 В

Мощность соответствует мощности, которую диод может рассеивать без повреждения.

Применения стабилитронов

До сих пор мы рассматривали, как стабилитроны можно использовать для стабилизации постоянного источника напряжения. Помимо этого, стабилитроны также используются в различных других приложениях. Вот некоторые из них.

Предварительный стабилизатор

Основная идея предварительного стабилизатора заключается в обеспечении хорошо стабилизированного входного напряжения для зенеровского стабилизатора, чтобы конечный выходной сигнал был исключительно хорошо стабилизирован.

Ниже приведён пример предварительного стабилизатора (первый стабилитрон), питающего зенеровский стабилизатор (второй стабилитрон).

Стабилитрон в качестве предварительного стабилизатора

Формирование сигнала

В большинстве приложений стабилитроны остаются в области пробоя. Но есть исключения, такие как схемы формирования сигнала.

Стабилитрон в качестве генератора прямоугольных импульсов

В вышеприведённой схеме формирования сигнала два стабилитрона подключены встречно-последовательно для генерации прямоугольной волны. Эту схему также в шутку называют «Генератор прямоугольных импульсов для бедных».

Во время положительного полупериода верхний диод Z1 проводит ток, а нижний диод Z2 находится в режиме пробоя. Поэтому выходной сигнал ограничивается.

Во время отрицательного полупериода действие обратное. Нижний диод Z2 проводит ток, а верхний диод Z1 находится в режиме пробоя. Таким образом, выходной сигнал приблизительно представляет собой прямоугольную волну.

Уровень ограничения равен напряжению стабилизации (диод в режиме пробоя) плюс 0,7 В (диод в режиме прямого смещения).

Получение нестандартных выходных напряжений

Комбинируя стабилитроны с обычными кремниевыми диодами, можно получить несколько нестандартных постоянных выходных напряжений следующим образом:

Стабилитрон для получения нестандартных напряжений

Управление реле

Как вы, возможно, знаете, подключение реле на 6 В к системе на 12 В может привести к повреждению реле. Необходимо снизить часть напряжения. На рисунке ниже показан один из способов сделать это.

Использование стабилитрона для управления реле

В этой схеме стабилитрон на 5,6 В подключён последовательно с реле, так что на реле приходится только 6,4 В, что находится в пределах допуска номинального напряжения реле.