Polovodičové diody mají mnoho "profesí". Dokáže usměrnit napětí, oddělit elektrické obvody, chránit zařízení před nesprávným napájením. Existuje však ne zcela běžný druh "provozu" diody, kdy se její jednosměrná vodivost využívá velmi nepřímo. Polovodičové zařízení, u kterého je normálním provozním režimem zpětné vychýlení, se nazývá stabilizátor.
Obsah
Co je to zenerova dioda, kde se používá a jaké jsou její druhy?
Stabilitron neboli Zenerova dioda (pojmenovaná po americkém vědci, který jako první studoval a popsal vlastnosti tohoto polovodičového zařízení) je běžná dioda s p-n přechodem. Vyznačuje se tím, že pracuje v oblasti záporného zkreslení, tj. při přivedení napětí opačné polarity. Taková dioda se používá jako samostatný regulátor, který udržuje konstantní napětí na spotřebiči bez ohledu na kolísání zátěžového proudu a vstupního napětí. Stabilizované diodové sestavy se používají také jako zdroje referenčního napětí pro jiné stabilizátory s pokročilými obvody. Méně často se reverzní dioda používá jako prvek pro tvarování impulzů nebo jako tlumič přepětí.
Existují běžné stabilizátory a dvoukvadraturní regulátory. Dvoukvadraturní stabilitron jsou dvě diody uspořádané v opačných směrech v jednom pouzdře. Lze jej nahradit dvěma samostatnými zařízeními ve vhodném obvodu.
Voltampérové charakteristiky stabilitronu a jeho fungování
Abychom pochopili, jak stabilizátor funguje, je nutné prostudovat jeho typickou voltampérovou charakteristiku (VAC).
Pokud je zenerova dioda napájena v přímém směru jako normální dioda, chová se jako normální dioda. Při napětí přibližně 0,6 V (pro křemíkové zařízení) se otevře a vstoupí do lineární části CVC. K tématu článku je zajímavější sledovat, jak se stabilizační dioda chová při přivedení napětí opačné polarity (záporná strana charakteristiky). Nejprve se jeho odpor prudce zvýší a zařízení přestane vést proud. Když však napětí dosáhne určité hodnoty, dojde k prudkému nárůstu proudu, tzv. průrazu. Má lavinovitý charakter a po odpojení napájení zmizí. Pokud se zpětné napětí nadále zvyšuje, přechod p-n se začne zahřívat a přejde do režimu tepelného průrazu. Tepelný průraz je nevratný a znamená, že dioda selže, proto byste diodu do tohoto režimu neměli uvádět.
Zajímavá je lavinová průrazná část polovodičového zařízení. Její tvar se blíží lineárnímu a má vysokou strmost. To znamená, že při velké změně proudu (ΔI) je změna úbytku napětí na stabilizátoru relativně malá (ΔU). A to je stabilizace.
Toto chování při přivedení zpětného napětí je charakteristické pro každou diodu. Zvláštností stabilizační diody je však to, že její parametry v tomto úseku CVC jsou normalizované. Jeho stabilizační napětí a sklon jsou dány (s určitým rozpětím) a jsou důležitými parametry, které určují vhodnost zařízení pro použití v obvodu. Ty lze nalézt v referenčních knihách. Jako stabilizační diody lze použít i běžné diody - pokud si vyfotíte jejich výkonovou křivku a najdete mezi nimi jednu s vhodnou charakteristikou. Jedná se však o zdlouhavý a časově náročný proces s nezaručeným výsledkem.
Hlavní charakteristiky stabilizační diody jsou tyto.
Při výběru Zenerovy diody pro danou aplikaci je třeba dbát na několik důležitých parametrů. Tyto vlastnosti určují vhodnost vybraného zařízení pro danou aplikaci.
Jmenovité stabilizační napětí
Prvním parametrem, který je třeba vzít v úvahu při výběru, je stabilizační napětí, které je definováno počátečním bodem lavinového průrazu. To je výchozí bod pro výběr zařízení, které má být použito v obvodu. Různé kopie obyčejných zenerek, dokonce i stejného typu, mají odchylku napětí v řádu několika procent, zatímco u přesných je rozdíl nižší. Pokud není jmenovité napětí známo, lze jej určit sestavením jednoduchého obvodu. Připravte se:
- Předřadný odpor 1...3 kΩ;
- Nastavitelný zdroj napětí;
- Voltmetr (lze použít zkoušečku).
Napájecí napětí by se mělo zvýšit z nuly a pomocí voltmetru by se měl zkontrolovat nárůst napětí na regulátoru. V určitém okamžiku se zastaví i přes další zvyšování vstupního napětí. Jedná se o skutečné stabilizační napětí. Pokud není k dispozici regulovaný zdroj, lze použít zdroj s konstantním výstupním napětím, o kterém je známo, že je vyšší než U-stabilizace. Princip zapojení a měření zůstává stejný. Existuje však riziko selhání polovodičového zařízení v důsledku nadměrného provozního proudu.
Stabilizátory se používají pro napětí od 2...3V do 200V. K vytvoření stabilního napětí pod tímto rozsahem se používají jiná zařízení - stabilitrony, pracující na přímém úseku CVC.
Rozsah provozního proudu
Rozsah proudů, při nichž stabilizační zařízení plní svou funkci, je nahoře a dole omezen. V dolní části je omezena na začátek lineárního úseku rubové strany charakteristické křivky. Při nižších proudech charakteristika nezajišťuje stálost napětí.
Horní hodnota je omezena maximálním ztrátovým výkonem, kterého je polovodičové zařízení schopno, a závisí na jeho konstrukci. Stabilitrony v kovových pouzdrech jsou určeny pro vyšší proudy, ale nezapomeňte na použití chladičů. Bez nich bude nejvyšší přípustný ztrátový výkon výrazně nižší.
Diferenciální odpor
Dalším parametrem, který určuje výkon regulátoru, je diferenciální odpor Rc. Je definována jako poměr změny napětí ΔU a výsledné změny proudu ΔI. Jedná se o hodnotu odporu měřenou v ohmech. Graficky se jedná o tečnu ke sklonu charakteristiky. Je zřejmé, že čím nižší je odpor, tím lepší je kvalita stabilizace. U ideálního (v praxi neexistujícího) stabilizátoru je Rst nulové - jakýkoli nárůst proudu nezpůsobí žádnou změnu napětí a úsek křivky bude rovnoběžný s ordinátní osou.
Označování stabilizátorů
Domácí a dovážené stabilizační diody s kovovým pouzdrem jsou jednoduše a zřetelně označeny. Jsou označeny názvem zařízení a umístěním anody a katody ve formě schematického označení.
Přístroje v plastových pouzdrech jsou na katodové a anodové straně označeny kroužky a tečkami různých barev. Podle barvy a kombinace znaků lze určit typ spotřebiče, je však nutné nahlédnout do příruček nebo použít kalkulačky. Obojí lze najít na internetu.
Stabilizační napětí se někdy tisknou na nízkopříkonové stabilizační diody.
Schémata zapojení stabilizátoru
Základní zapojení pro spínání regulátoru je v sérii s obvodem rezistorkterý nastavuje proud polovodičovým zařízením a odebírá přebytečné napětí. Tyto dva prvky tvoří společný rozdělovač. Při změně vstupního napětí zůstává úbytek na regulátoru konstantní a mění se odpor.
Takový obvod lze použít samostatně a nazývá se parametrický regulátor. Udržuje konstantní napětí zátěže i přes kolísání vstupního napětí nebo odběru proudu (v určitých mezích). Používá se také jako pomocný obvod, kde je vyžadován zdroj referenčního napětí.
Používá se také k ochraně citlivých zařízení (snímačů apod.) před abnormálním vysokým napětím (stejnosměrným nebo náhodnými impulsy) na napájecím nebo měřicím vedení. Cokoli nad stabilizačním napětím polovodičového zařízení je "odříznuto". Takovému obvodu se říká "Zenerova bariéra".
V minulosti se v obvodech pro tvarování impulzů hojně využívala vlastnost Zenerovy bariéry "odřezávat" napěťové špičky. V obvodech střídavého proudu se používala dvoukanálová zařízení.
S rozvojem tranzistorové technologie a nástupem integrovaných obvodů se však tento princip používá jen zřídka.
Pokud nemáte po ruce regulátor správného napětí, může být složen ze dvou napětí. Celkové stabilizační napětí se bude rovnat součtu obou napětí.
Důležité! Stabilitrony se nesmí zapojovat paralelně, aby se zvýšil provozní proud! Změny napěťových charakteristik povedou k tepelnému průrazu jednoho stabilitronu, druhý pak selže v důsledku nadměrného zatěžovacího proudu.
Přestože technická dokumentace z dob Sovětského svazu umožňuje paralelní paralelní připojení V sovětských dobách je povoleno paralelní zapojení nul, ale s tím, že zařízení musí být stejného typu a celkový skutečný ztrátový výkon při provozu nesmí překročit přípustnou hodnotu pro jeden stabilitron. Jinými slovy, za této podmínky nelze dosáhnout zvýšení provozního proudu.
Pro zvýšení přípustného zatěžovacího proudu se používá jiné zapojení. Parametrický regulátor je doplněn tranzistorem, který vytváří emitorový opakovač se zátěží v emitorovém obvodu a stabilní. napětí na bázi tranzistoru.
V tomto případě bude výstupní napětí regulátoru nižší než U-stabilizace o hodnotu úbytku napětí na emitorovém přechodu - pro křemíkový tranzistor asi 0,6 V. Pro kompenzaci tohoto snížení lze do série se stabilizátorem v přímém směru zapojit diodu.
Tímto způsobem (zařazením jedné nebo více diod) lze výstupní napětí regulátoru v malých mezích regulovat směrem nahoru. Pokud je potřeba radikální zvýšení Uv, je lepší zařadit do série další diodu.
Rozsah použití stabilitronu v elektronických obvodech je široký. Při vědomém přístupu k výběru pomůže toto polovodičové zařízení vyřešit mnoho úkolů, které si konstruktér vytyčil.
Související články:
