Faststofdioder har mange "erhverv". Den kan ensrette spænding, afkoble elektriske kredsløb og beskytte udstyr mod ukorrekt strømforsyning. Men der er en ikke så normal "drift" af en diode, når dens envejsledningsegenskab anvendes meget indirekte. En halvlederanordning, for hvilken den normale driftsmåde er omvendt forspænding, kaldes en stabilisator.
Indhold
Hvad er en zenerdiode, hvor den bruges, og hvilke typer findes der?
En stabilitron eller Zener-diode (opkaldt efter den amerikanske videnskabsmand, der først studerede og beskrev egenskaberne ved denne halvlederenhed) er en almindelig diode med et p-n-forbindelsespunkt. Den er kendetegnet ved at fungere i det negative biasområde, dvs. når der påføres en spænding i omvendt polaritet. En sådan diode anvendes som en stand-alone regulator, der holder forbrugerspændingen konstant uanset variationer i belastningsstrømmen og indgangsspændingsudsving. Stabiliserede diodesamlinger anvendes også som referencespændingskilder for andre stabilisatorer med avancerede kredsløb. Mindre hyppigt anvendes den omvendte diode som et pulsformende element eller som en overspændingsdæmper.
Der findes konventionelle stabilisatorer og regulatorer med dobbeltkvadratur. En stabilitron med dobbelt kvadratur er to dioder, der er anbragt i modsatte retninger i samme hus. Den kan erstattes af to separate enheder i et passende kredsløb.
Volt-ampere-karakteristik af en stabilitron og hvordan den fungerer
For at forstå, hvordan en stabilisator fungerer, er det nødvendigt at studere dens typiske volt-ampere-karakteristik (VAC).
Hvis en zener strømforsynes i fremadgående retning som en normal diode, opfører den sig som en normal diode. Ved ca. 0,6 V (for en siliciumanordning) åbner den sig og går ind i CVC'ens lineære sektion. Med hensyn til artiklen er det mere interessant at se, hvordan den stabiliserende diode opfører sig, når der påføres en spænding med omvendt polaritet (den negative side af karakteristikken). I første omgang vil modstanden stige kraftigt, og enheden vil holde op med at overføre strøm. Men når spændingen når en vis værdi, vil der ske en kraftig stigning i strømmen, kaldet nedbrydning. Den er af lavineagtig karakter og forsvinder, når strømmen fjernes. Hvis den omvendte spænding fortsætter med at stige, vil p-n-forbindelsen begynde at varme op og gå over i termisk nedbrydningstilstand. Termisk nedbrydning er irreversibel og betyder, at dioden vil gå i stykker, så du bør ikke sætte dioden i denne tilstand.
Halvlederanordningens lavineopdeling er interessant. Dens form er tæt på lineær, og den har en høj stejlhed. Det betyder, at ved en stor ændring i strømmen (ΔI) er ændringen i spændingsfaldet over stabilisatoren relativt lille (ΔU). Og det er stabilisering.
Denne adfærd, når der påføres omvendt spænding, er karakteristisk for alle dioder. Men det særlige ved en stabiliseringsdiode er, at dens parametre på dette afsnit af CVC'en er normaliseret. Dens stabiliseringsspænding og hældning er givet (med en vis spredning) og er vigtige parametre, som afgør, om enheden er egnet til brug i et kredsløb. Disse kan findes i opslagsværker. Almindelige dioder kan også bruges som stabiliseringsdioder - hvis man tager et billede af deres effektkurve og finder en af dem med en passende karakteristik. Men det er en lang og tidskrævende proces med et resultat, der ikke kan garanteres.
De vigtigste egenskaber ved en stabiliseringsdiode er
For at kunne vælge en Zenerdiode til den pågældende anvendelse er der flere vigtige parametre, som man skal være opmærksom på. Disse egenskaber er afgørende for, om den valgte anordning er egnet til den pågældende anvendelse.
Stabiliseringsspænding
Den første zenerparameter, der skal tages i betragtning ved valget, er stabiliseringsspændingen, som er defineret af startpunktet for lavineudbruddet. Dette er udgangspunktet for valget af en enhed, der skal bruges i et kredsløb. Forskellige eksemplarer af almindelige zenerer, selv af samme type, har en spændingsvariation i størrelsesordenen et par procent, mens forskellen er mindre for præcisionszenerer. Hvis den nominelle spænding ikke er kendt, kan den bestemmes ved at sammensætte et simpelt kredsløb. Forbered dig:
- En forkoblingsmodstand på 1...3 kΩ;
- Justerbar spændingskilde;
- Et voltmeter (der kan anvendes en tester).
Strømforsyningsspændingen skal hæves fra nul, og voltmeteret skal bruges til at kontrollere spændingsstigningen over regulatoren. På et tidspunkt stopper den på trods af yderligere stigninger i indgangsspændingen. Dette er den faktiske stabiliseringsspænding. Hvis der ikke er en reguleret kilde til rådighed, kan der anvendes en strømforsyning med en konstant udgangsspænding, der er kendt for at være højere end U-stabilisering. Kredsløbet og måleprincippet forbliver det samme. Men der er risiko for, at halvlederenheden fejler på grund af for høj driftstrøm.
Stabilisatorer anvendes til spændinger fra 2...3V op til 200V. For at danne en stabil spænding under dette område anvendes andre enheder - stabilitroner, der arbejder på den lige del af CVC.
Driftsstrømområde
Det strømområde, hvor stabiliseringsanordningerne fungerer, er begrænset i top og bund. I bunden er den begrænset til begyndelsen af det lineære segment på bagsiden af den karakteristiske kurve. Ved lavere strømme giver karakteristikken ikke spændingskonstanthed.
Den øvre værdi er begrænset af den maksimale effektforbrug, som halvlederenheden er i stand til, og afhænger af dens design. Stabilitroner i metalkabinetter er beregnet til højere strømme, men glem ikke brugen af køleplader. Uden disse vil det højeste tilladte strømforbrug være betydeligt lavere.
Differentialmodstand
En anden parameter, der bestemmer en regulators ydeevne, er differentialmodstanden, Rc. Den er defineret som forholdet mellem ændringen i spænding ΔU og den resulterende ændring i strøm ΔI. Dette er en modstandsværdi, målt i ohm. Grafisk set er det tangenten til hældningen af karakteristikken. Det er klart, at jo lavere modstanden er, jo bedre er stabiliseringskvaliteten. For en ideel stabilisator (som ikke findes i praksis) er Rst nul - enhver stigning i strømmen vil ikke medføre nogen ændring i spændingen, og kurveafsnittet vil være parallelt med ordinataksen.
Mærkning af stabilisatorer
Indenlandske og importerede metalindkapslede stabiliseringsdioder er mærket enkelt og tydeligt. De er mærket med enhedens navn og anodens og katodens placering i form af en skematisk betegnelse.
Enheder i plasthuse er mærket med ringe og prikker i forskellige farver på katode- og anodesiden. Farven og kombinationen af tegn kan bruges til at bestemme apparattypen, men det er nødvendigt at konsultere opslagsværker eller bruge beregningsprogrammer. Begge dele kan findes på internettet.
Stabiliseringsspændinger er undertiden trykt på stabiliseringsdioder med lav effekt.
Ledningsdiagrammer for stabilisator
Det grundlæggende kredsløb til at skifte en regulator er i serie med en en modstandsom bestemmer strømmen gennem halvlederenheden og optager den overskydende spænding. De to elementer udgør fælles deler. Når indgangsspændingen ændres, forbliver faldet over regulatoren konstant, og modstanden ændres.
Et sådant kredsløb kan bruges alene og kaldes en parametrisk regulator. Den holder belastningsspændingen konstant på trods af udsving i indgangsspændingen eller strømforbruget (inden for visse grænser). Det bruges også som et hjælpekredsløb, hvor der er behov for en referencespændingskilde.
Den bruges også til at beskytte følsomt udstyr (sensorer osv.) mod unormale høje spændinger (DC- eller tilfældige impulser) i forsynings- eller målekabinen. Alt, hvad der ligger over halvlederanordningens stabiliseringsspænding, er "afskåret". Et sådant kredsløb kaldes en "Zener-barriere".
Tidligere blev Zener-barrierens egenskab til at "afskære" spændingstoppe meget anvendt i pulsskabende kredsløb. I vekselstrømskredsløb blev der anvendt to-kanals enheder.
Men med udviklingen af transistorteknologien og indførelsen af integrerede kredsløb er dette princip sjældent blevet anvendt.
Hvis du ikke har en regulator med den korrekte spænding til rådighed, kan den være sammensat af to spændinger. Den samlede stabiliseringsspænding vil være lig med summen af de to spændinger.
Vigtigt! Stabilitroner må ikke parallelforbindes for at øge driftsstrømmen! Variationen i spændings-spændingsegenskaberne vil føre til termisk nedbrud af den ene stabilitron, hvorefter den anden vil svigte på grund af for høj belastningsstrøm.
Selv om den tekniske dokumentation fra sovjettiden tillader parallel parallelforbindelse af I sovjetiske tider er det tilladt at parallelforbinde nuller, men med det forbehold, at enhederne skal være af samme type, og at den samlede faktiske effekttab under drift ikke må overstige det tilladte for en enkelt stabilitron. Med andre ord kan der ikke opnås en forøgelse af driftsstrømmen under denne tilstand.
Der anvendes et andet kredsløb for at øge den tilladte belastningsstrøm. Den parametriske regulator suppleres af en transistor for at skabe en emitterrepeater med en belastning i emitterkredsløbet og en stabil spænding ved transistorens base.
I dette tilfælde vil regulatorens udgangsspænding være lavere end U-stabiliseringen med værdien af spændingsfaldet ved emitterovergangen - for en siliciumtransistor ca. 0,6 V. For at kompensere for denne reduktion kan en diode kobles i serie med stabilisatoren i fremadgående retning for at kompensere for denne reduktion.
På denne måde (ved at inkludere en eller flere dioder) kan regulatorens udgangsspænding justeres opad inden for små grænser. Hvis der er behov for en radikalt højere Uv, er det bedre at sætte en anden diode i serie.
Anvendelsesområdet for stabilitronen i elektroniske kredsløb er stort. Med en bevidst tilgang til valget vil denne halvlederenhed hjælpe med at løse mange opgaver, som designeren har fået stillet.
Relaterede artikler:
