Festkörperdioden haben viele "Berufe". Er kann die Spannung gleichrichten, Stromkreise entkoppeln und Geräte vor falscher Stromversorgung schützen. Es gibt jedoch eine nicht ganz so normale Art des "Betriebs" einer Diode, wenn ihre Einweg-Leitungseigenschaft sehr indirekt genutzt wird. Ein Halbleiterbauelement, das normalerweise in Sperrrichtung betrieben wird, wird als Stabilisator bezeichnet.
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Was ist eine Zenerdiode, wo wird sie verwendet und welche Arten gibt es?
Ein Stabilitron oder eine Zener-Diode (benannt nach dem amerikanischen Wissenschaftler, der als erster die Eigenschaften dieses Halbleiterbauelements untersucht und beschrieben hat) ist eine normale Diode mit einem p-n-Übergang. Er zeichnet sich durch seinen Betrieb im negativen Vorspannungsbereich aus, d. h. wenn eine Spannung in umgekehrter Polarität angelegt wird. Eine solche Diode wird als eigenständiger Regler eingesetzt, der die Verbraucherspannung unabhängig von Laststromschwankungen und Schwankungen der Eingangsspannung konstant hält. Stabilisierte Diodenbaugruppen werden auch als Referenzspannungsquellen für andere Stabilisatoren mit erweiterten Schaltungen verwendet. Seltener wird die Sperrdiode als impulsformendes Element oder als Überspannungsschutz eingesetzt.
Es gibt konventionelle Stabilisatoren und Doppel-Quadratur-Regler. Ein Doppel-Quadratur-Stabilitron besteht aus zwei gegenläufig angeordneten Dioden in einem Gehäuse. Er kann durch zwei getrennte Geräte in einer geeigneten Schaltung ersetzt werden.
Volt-Ampere-Eigenschaften eines Stabilitrons und seine Funktionsweise
Um zu verstehen, wie ein Stabilisator funktioniert, ist es notwendig, seine typische Volt-Ampere-Kennlinie (VAC) zu untersuchen.
Wenn eine Zener-Diode wie eine normale Diode in Durchlassrichtung erregt wird, verhält sie sich wie eine normale Diode. Bei etwa 0,6 V (für ein Silizium-Bauelement) öffnet er sich und gelangt in den linearen Abschnitt des CVC. Im Zusammenhang mit dem Artikel ist es interessanter zu sehen, wie sich die Stabilisierungsdiode verhält, wenn die Spannung mit umgekehrter Polarität angelegt wird (die negative Seite der Kennlinie). Zunächst steigt der Widerstand stark an und das Gerät führt keinen Strom mehr. Wenn die Spannung jedoch einen bestimmten Wert erreicht, kommt es zu einem starken Anstieg des Stroms, der als Durchbruch bezeichnet wird. Es handelt sich um eine Art Lawine, die verschwindet, wenn der Strom abgeschaltet wird. Wenn die Sperrspannung weiter ansteigt, beginnt sich der p-n-Übergang zu erhitzen und geht in den thermischen Durchbruchmodus über. Der thermische Durchbruch ist irreversibel und bedeutet, dass die Diode ausfällt, daher sollten Sie die Diode nicht in diesen Modus versetzen.
Der Avalanche-Durchbruchsteil des Halbleiterbauelements ist interessant. Seine Form ist annähernd linear und er hat eine hohe Steilheit. Das bedeutet, dass bei einer großen Stromänderung (ΔI) die Änderung des Spannungsabfalls über dem Stabilisator relativ klein ist (ΔU). Und das ist die Stabilisierung.
Dieses Verhalten beim Anlegen der Sperrspannung ist für jede Diode charakteristisch. Die Besonderheit einer Stabilisierungsdiode besteht jedoch darin, dass ihre Parameter in diesem Abschnitt des CVC normalisiert sind. Seine Stabilisierungsspannung und die Steilheit der Kennlinie werden (mit einer gewissen Streuung) angegeben und sind wichtige Parameter, die die Eignung des Geräts für den Einsatz in einer Schaltung bestimmen. Diese können in Nachschlagewerken gefunden werden. Normale Dioden können auch als Stabilisierungsdioden verwendet werden - wenn man ihre Leistungskurve fotografiert und eine mit einer geeigneten Kennlinie darunter findet. Dies ist jedoch ein langwieriger, zeitraubender Prozess mit einem nicht garantierten Ergebnis.
Die wichtigsten Merkmale einer Stabilisierungsdiode sind
Bei der Auswahl einer Zenerdiode für die betreffende Anwendung sind einige wichtige Parameter zu beachten. Diese Eigenschaften bestimmen die Eignung des ausgewählten Geräts für die Anwendung.
Nennwert der Stabilisierungsspannung
Der erste Parameter, der bei der Auswahl eines Zeners zu berücksichtigen ist, ist die Stabilisierungsspannung, die durch den Startpunkt des Lawinendurchbruchs definiert ist. Dies ist der Ausgangspunkt für die Auswahl eines Geräts, das in einer Schaltung verwendet werden soll. Verschiedene Exemplare eines gewöhnlichen Zener, selbst desselben Typs, haben eine Spannungsabweichung im Bereich von einigen Prozent, während der Unterschied bei Präzisionszener geringer ist. Wenn die Nennspannung nicht bekannt ist, kann sie durch den Aufbau einer einfachen Schaltung ermittelt werden. Vorbereiten:
- Ein Ballastwiderstand von 1...3 kΩ;
- Einstellbare Spannungsquelle;
- Ein Voltmeter (ein Prüfgerät kann verwendet werden).
Die Versorgungsspannung sollte von Null an erhöht werden, und mit dem Voltmeter sollte der Spannungsanstieg am Regler überprüft werden. Irgendwann wird er trotz weiter steigender Eingangsspannung stehen bleiben. Dies ist die tatsächliche Stabilisierungsspannung. Steht keine geregelte Quelle zur Verfügung, kann eine Stromversorgung mit einer konstanten Ausgangsspannung verwendet werden, die bekanntermaßen höher als die U-Stabilisierung ist. Die Schaltung und das Messprinzip bleiben gleich. Es besteht jedoch die Gefahr, dass das Halbleiterbauelement aufgrund eines zu hohen Betriebsstroms ausfällt.
Stabilisatoren werden für Spannungen von 2...3V bis zu 200V verwendet. Um eine stabile Spannung unterhalb dieses Bereichs zu erzeugen, werden andere Geräte verwendet - Stabilitrons, die auf dem geraden Abschnitt des CVC arbeiten.
Betriebsstrombereich
Der Strombereich, in dem die Stabilisatoren ihre Funktion erfüllen, ist nach oben und unten begrenzt. Unten ist sie auf den Beginn des linearen Abschnitts der Rückseite der Kennlinie begrenzt. Bei niedrigeren Strömen bietet die Kennlinie keine Spannungskonstanz.
Der obere Wert wird durch die maximale Verlustleistung des Halbleiterbauelements begrenzt und hängt von dessen Konstruktion ab. Stabilitrons in Metallgehäusen sind für höhere Ströme ausgelegt, aber vergessen Sie nicht die Verwendung von Kühlkörpern. Ohne diese wird die höchstzulässige Verlustleistung deutlich niedriger sein.
Differentialwiderstand
Ein weiterer Parameter, der die Leistung eines Reglers bestimmt, ist der Differenzialwiderstand Rc. Sie ist definiert als das Verhältnis zwischen der Spannungsänderung ΔU und der daraus resultierenden Stromänderung ΔI. Dies ist ein Widerstandswert, gemessen in Ohm. Grafisch gesehen ist es der Tangens der Steigung der Kennlinie. Es liegt auf der Hand, dass die Qualität der Stabilisierung umso besser ist, je geringer der Widerstand ist. Bei einem idealen (in der Praxis nicht existierenden) Stabilisator ist Rst gleich Null - eine Erhöhung des Stroms führt zu keiner Änderung der Spannung, und der Abschnitt der Kurve verläuft parallel zur Ordinatenachse.
Kennzeichnung von Stabilitzern
Inländische und importierte metallgekapselte Stabilisierungsdioden sind einfach und deutlich gekennzeichnet. Sie sind mit dem Namen des Gerätes und der Lage von Anode und Kathode in Form einer schematischen Bezeichnung versehen.
Geräte in Kunststoffgehäusen sind mit verschiedenfarbigen Ringen und Punkten auf der Kathoden- und Anodenseite gekennzeichnet. Anhand der Farbe und der Zeichenkombination kann der Gerätetyp bestimmt werden, doch ist es notwendig, Nachschlagewerke zu konsultieren oder Rechenprogramme zu verwenden. Beide können im Internet gefunden werden.
Stabilisierungsspannungen werden manchmal auf Stabilisierungsdioden mit geringem Stromverbrauch aufgedruckt.
Schaltpläne für den Stabilisator
Die Grundschaltung zum Schalten eines Reglers ist in Reihe mit einem einen Widerstandder den Strom durch das Halbleiterbauelement einstellt und die Überspannung aufnimmt. Die beiden Elemente bilden die gemeinsamer Teiler. Wenn sich die Eingangsspannung ändert, bleibt der Abfall über dem Regler konstant und der Widerstand ändert sich.
Eine solche Schaltung kann als eigenständige Schaltung verwendet werden und wird als parametrischer Regler bezeichnet. Er hält die Lastspannung trotz Schwankungen der Eingangsspannung oder der Stromaufnahme (innerhalb bestimmter Grenzen) konstant. Er wird auch als Hilfsschaltung verwendet, wenn eine Referenzspannungsquelle erforderlich ist.
Er wird auch zum Schutz empfindlicher Geräte (Sensoren usw.) gegen anormale Hochspannungen (Gleichstrom oder Zufallsimpulse) in der Versorgungs- oder Messleitung verwendet. Alles, was oberhalb der Stabilisierungsspannung des Halbleiterbauelements liegt, wird "abgeschaltet". Eine solche Schaltung wird als "Zenerbarriere" bezeichnet.
In der Vergangenheit wurde die Eigenschaft einer Zenerbarriere, Spannungsspitzen "abzuschneiden", häufig in pulsformenden Schaltungen genutzt. In Wechselstromkreisen wurden zweikanalige Geräte verwendet.
Mit der Entwicklung der Transistortechnologie und dem Aufkommen integrierter Schaltungen wurde dieses Prinzip jedoch nur noch selten angewendet.
Wenn Sie keinen Regler mit der richtigen Spannung zur Hand haben, kann er aus zwei Spannungen zusammengesetzt werden. Die gesamte Stabilisierungsspannung ist gleich der Summe der beiden Spannungen.
Wichtig! Stabilitrons dürfen nicht parallel geschaltet werden, um den Betriebsstrom zu erhöhen! Die Veränderung der Spannungs-Spannungs-Charakteristik führt zum thermischen Zusammenbruch eines Stabilitrons, woraufhin das zweite Stabilitron aufgrund eines zu hohen Laststroms ausfällt.
Obwohl die technische Dokumentation aus der Sowjetzeit eine parallel Parallelschaltung von Zu Zeiten der Sowjetunion ist es erlaubt, Nullen parallel zu schalten, allerdings unter der Voraussetzung, dass die Geräte vom gleichen Typ sein müssen und die tatsächliche Gesamtverlustleistung während des Betriebs den für ein einzelnes Stabilitron zulässigen Wert nicht überschreiten darf. Mit anderen Worten: Eine Erhöhung des Betriebsstroms kann unter dieser Bedingung nicht erreicht werden.
Um den zulässigen Laststrom zu erhöhen, wird eine andere Schaltung verwendet. Der parametrische Regler wird durch einen Transistor ergänzt, um einen Emitter-Repeater mit einer Last im Emitterkreis und einem stabilen Spannung an der Transistorbasis.
In diesem Fall ist die Ausgangsspannung des Reglers um den Wert des Spannungsabfalls am Emitterübergang - bei einem Siliziumtransistor etwa 0,6 V - niedriger als die U-Stabilisierung. Um diese Reduzierung zu kompensieren, kann eine Diode in Reihe mit dem Stabilisator in Vorwärtsrichtung geschaltet werden.
Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung des Reglers (durch den Einbau einer oder mehrerer Dioden) in kleinen Grenzen nach oben angepasst werden. Wenn ein wesentlich höherer Uv-Wert benötigt wird, ist es besser, eine weitere Diode in Reihe zu schalten.
Die Anwendungsmöglichkeiten des Stabilitrons in elektronischen Schaltungen sind vielfältig. Mit einem bewussten Ansatz bei der Auswahl dieses Halbleiterbauelements lassen sich viele Aufgaben lösen, die dem Konstrukteur gestellt werden.
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