Οι δίοδοι στερεάς κατάστασης έχουν πολλά "επαγγέλματα". Μπορεί να ανορθώσει την τάση, να αποσυνδέσει τα ηλεκτρικά κυκλώματα, να προστατεύσει τον εξοπλισμό από ακατάλληλη τροφοδοσία. Υπάρχει όμως ένα όχι και τόσο φυσιολογικό είδος "λειτουργίας" μιας διόδου όταν η ιδιότητα μονόδρομης αγωγής της χρησιμοποιείται πολύ έμμεσα. Μια διάταξη ημιαγωγών για την οποία η αντίστροφη πόλωση είναι ο συνήθης τρόπος λειτουργίας ονομάζεται σταθεροποιητής.
Περιεχόμενα
Τι είναι η δίοδος zener, πού χρησιμοποιείται και ποια είδη υπάρχουν
Ένα σταθερότρονιο ή δίοδος Zener (που πήρε το όνομά του από τον Αμερικανό επιστήμονα που μελέτησε και περιέγραψε πρώτος τις ιδιότητες αυτής της διάταξης ημιαγωγών) είναι μια κανονική δίοδος με μια επαφή p-n. Χαρακτηρίζεται από τη λειτουργία του στην περιοχή αρνητικής πόλωσης, δηλαδή όταν εφαρμόζεται τάση αντίστροφης πολικότητας. Μια τέτοια δίοδος χρησιμοποιείται ως αυτόνομος ρυθμιστής, διατηρώντας την τάση του καταναλωτή σταθερή ανεξάρτητα από τις διακυμάνσεις του ρεύματος φορτίου και τις διακυμάνσεις της τάσης εισόδου. Τα συγκροτήματα σταθεροποιημένων διόδων χρησιμοποιούνται επίσης ως πηγές τάσης αναφοράς για άλλους σταθεροποιητές με προηγμένα κυκλώματα. Λιγότερο συχνά, η αντίστροφη δίοδος χρησιμοποιείται ως στοιχείο διαμόρφωσης παλμών ή ως καταστολέας υπερτάσεων.
Υπάρχουν συμβατικοί σταθεροποιητές και ρυθμιστές διπλής τετραγωνισμού. Ένα σταθερότρο διπλής τετραγωνισμού είναι δύο δίοδοι τοποθετημένες σε αντίθετες κατευθύνσεις στο ίδιο περίβλημα. Μπορεί να αντικατασταθεί από δύο ξεχωριστές συσκευές σε ένα κατάλληλο κύκλωμα.
Χαρακτηριστικά τάσης-αμπέρ ενός Stabilitron και πώς λειτουργεί
Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ένας σταθεροποιητής, είναι απαραίτητο να μελετήσουμε την τυπική χαρακτηριστική τάση-άμπρας (VAC).
Εάν μια δίοδος zener τροφοδοτείται προς τα εμπρός όπως μια κανονική δίοδος, θα συμπεριφέρεται όπως μια κανονική δίοδος. Σε περίπου 0,6 V (για μια διάταξη πυριτίου) θα ανοίξει και θα εισέλθει στο γραμμικό τμήμα του CVC. Όσον αφορά το θέμα του άρθρου, είναι πιο ενδιαφέρον να δούμε πώς συμπεριφέρεται η σταθεροποιητική δίοδος όταν εφαρμόζεται η τάση αντίστροφης πολικότητας (η αρνητική πλευρά της χαρακτηριστικής). Στην αρχή η αντίστασή του θα αυξηθεί απότομα και η συσκευή θα σταματήσει να μεταφέρει ρεύμα. Όταν όμως η τάση φτάσει σε μια ορισμένη τιμή, θα υπάρξει απότομη αύξηση του ρεύματος, που ονομάζεται διάσπαση. Έχει χαρακτήρα χιονοστιβάδας και εξαφανίζεται όταν αφαιρείται το ρεύμα. Εάν η αντίστροφη τάση συνεχίσει να αυξάνεται, η ένωση p-n θα αρχίσει να θερμαίνεται και θα περιέλθει σε κατάσταση θερμικής διάσπασης. Η θερμική διάσπαση είναι μη αναστρέψιμη και σημαίνει ότι η δίοδος θα αποτύχει, επομένως δεν πρέπει να θέσετε τη δίοδο σε αυτή τη λειτουργία.
Το τμήμα διάσπασης χιονοστιβάδας της διάταξης ημιαγωγών είναι ενδιαφέρον. Το σχήμα του είναι σχεδόν γραμμικό και έχει μεγάλη κλίση. Αυτό σημαίνει ότι με μεγάλη μεταβολή του ρεύματος (ΔI), η μεταβολή της πτώσης τάσης στον σταθεροποιητή είναι σχετικά μικρή (ΔU). Και αυτό είναι η σταθεροποίηση.
Αυτή η συμπεριφορά όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση είναι χαρακτηριστική για κάθε δίοδο. Όμως η ιδιαιτερότητα μιας διόδου σταθεροποίησης είναι ότι οι παράμετροι της σε αυτό το τμήμα του CVC είναι κανονικοποιημένες. Η τάση σταθεροποίησης και η κλίση της είναι δεδομένες (με κάποια διακύμανση) και αποτελούν σημαντικές παραμέτρους που καθορίζουν την καταλληλότητα της διάταξης για χρήση σε ένα κύκλωμα. Αυτά μπορούν να βρεθούν σε βιβλία αναφοράς. Οι κανονικές δίοδοι μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως σταθεροποιητικές δίοδοι - αν φωτογραφίσετε την καμπύλη ισχύος τους και βρείτε μία με κατάλληλη χαρακτηριστική ανάμεσά τους. Πρόκειται όμως για μια μακρά, χρονοβόρα διαδικασία με μη εγγυημένο αποτέλεσμα.
Τα κύρια χαρακτηριστικά μιας διόδου σταθεροποίησης είναι τα εξής
Για να επιλέξετε μια δίοδο Zener για την εκάστοτε εφαρμογή, υπάρχουν αρκετές σημαντικές παράμετροι που πρέπει να γνωρίζετε. Αυτά τα χαρακτηριστικά θα καθορίσουν την καταλληλότητα της επιλεγμένης συσκευής για την εφαρμογή.
Ονομαστική τάση σταθεροποίησης
Η πρώτη παράμετρος zener που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την επιλογή είναι η τάση σταθεροποίησης, η οποία καθορίζεται από το σημείο έναρξης της διάσπασης χιονοστιβάδας. Αυτό είναι το σημείο εκκίνησης για την επιλογή μιας συσκευής που θα χρησιμοποιηθεί σε ένα κύκλωμα. Διαφορετικά αντίγραφα συνηθισμένων ζενέρ, ακόμη και του ίδιου τύπου, έχουν μια διακύμανση τάσης στην περιοχή του μερικού τοις εκατό, ενώ η διαφορά είναι μικρότερη για τα ζενέρ ακριβείας. Εάν η ονομαστική τάση δεν είναι γνωστή, μπορεί να προσδιοριστεί με τη συναρμολόγηση ενός απλού κυκλώματος. Προετοιμαστείτε:
- Μια αντίσταση ballast 1...3 kΩ,
- Ρυθμιζόμενη πηγή τάσης,
- Ένα βολτόμετρο (μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας δοκιμαστής).
Η τάση τροφοδοσίας πρέπει να αυξηθεί από το μηδέν και να χρησιμοποιηθεί το βολτόμετρο για να ελεγχθεί η αύξηση της τάσης στον ρυθμιστή. Κάποια στιγμή θα σταματήσει παρά την περαιτέρω αύξηση της τάσης εισόδου. Αυτή είναι η πραγματική τάση σταθεροποίησης. Εάν δεν είναι διαθέσιμη μια ρυθμιζόμενη πηγή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα τροφοδοτικό με σταθερή τάση εξόδου που είναι γνωστό ότι είναι υψηλότερη από τη σταθεροποίηση U. Το κύκλωμα και η αρχή μέτρησης παραμένουν οι ίδιες. Υπάρχει όμως κίνδυνος αστοχίας της διάταξης ημιαγωγών λόγω υπερβολικού ρεύματος λειτουργίας.
Οι σταθεροποιητές χρησιμοποιούνται για τάσεις από 2...3V έως 200V. Για να σχηματιστεί σταθερή τάση κάτω από αυτό το εύρος, χρησιμοποιούνται άλλες συσκευές - σταθεροτρόνια, που λειτουργούν σε ευθύγραμμο τμήμα του CVC.
Εύρος ρεύματος λειτουργίας
Το εύρος των ρευμάτων στα οποία οι διατάξεις σταθεροποίησης επιτελούν τη λειτουργία τους είναι περιορισμένο στην κορυφή και στον πυθμένα. Στο κάτω μέρος περιορίζεται στην αρχή του γραμμικού τμήματος της αντίστροφης πλευράς της χαρακτηριστικής καμπύλης. Σε χαμηλότερα ρεύματα η χαρακτηριστική δεν παρέχει σταθερότητα τάσης.
Η ανώτερη τιμή περιορίζεται από τη μέγιστη απορρόφηση ισχύος για την οποία είναι ικανή η διάταξη ημιαγωγών και εξαρτάται από τον σχεδιασμό της. Τα Stabilitrons σε μεταλλικά περιβλήματα είναι σχεδιασμένα για μεγαλύτερα ρεύματα, αλλά μην ξεχνάτε τη χρήση ψύκτρων. Χωρίς αυτά, η υψηλότερη επιτρεπόμενη απορρόφηση ισχύος θα είναι σημαντικά χαμηλότερη.
Διαφορική αντίσταση
Μια άλλη παράμετρος που καθορίζει την απόδοση ενός ρυθμιστή είναι η διαφορική αντίσταση, Rc. Ορίζεται ως ο λόγος της μεταβολής της τάσης ΔU προς την προκύπτουσα μεταβολή του ρεύματος ΔI. Πρόκειται για μια τιμή αντίστασης, μετρούμενη σε Ω. Γραφικά, είναι η εφαπτομένη της κλίσης της χαρακτηριστικής. Προφανώς, όσο μικρότερη είναι η αντίσταση, τόσο καλύτερη είναι η ποιότητα σταθεροποίησης. Για έναν ιδανικό (ανύπαρκτο στην πράξη) σταθεροποιητή, το Rst είναι μηδέν - οποιαδήποτε αύξηση του ρεύματος δεν θα προκαλέσει καμία μεταβολή στην τάση και το τμήμα της καμπύλης θα είναι παράλληλο με τον άξονα της διατακτικής.
Επισήμανση των σταθεροποιητών
Οι εγχώριες και οι εισαγόμενες σταθεροποιητικές δίοδοι με μεταλλικό εγκιβωτισμό φέρουν απλή και σαφή επισήμανση. Σημαίνονται με το όνομα της διάταξης και τη θέση της ανόδου και της καθόδου με τη μορφή σχηματικής ονομασίας.
Οι συσκευές σε πλαστικά περιβλήματα επισημαίνονται με δακτυλίους και κουκίδες διαφορετικού χρώματος στην πλευρά της καθόδου και της ανόδου. Το χρώμα και ο συνδυασμός των σημείων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του τύπου της συσκευής, αλλά είναι απαραίτητο να συμβουλευτείτε βιβλία αναφοράς ή να χρησιμοποιήσετε προγράμματα υπολογισμού. Και τα δύο μπορούν να βρεθούν στο διαδίκτυο.
Οι τάσεις σταθεροποίησης μερικές φορές εκτυπώνονται σε διόδους σταθεροποίησης χαμηλής ισχύος.
Διαγράμματα καλωδίωσης σταθεροποιητή
Το βασικό κύκλωμα για τη μεταγωγή ενός ρυθμιστή είναι σε σειρά με ένα μια αντίστασηη οποία ρυθμίζει το ρεύμα μέσω της διάταξης ημιαγωγών και απορροφά την περίσσεια τάσης. Τα δύο στοιχεία συνθέτουν κοινός διαιρέτης. Όταν αλλάζει η τάση εισόδου, η πτώση στον ρυθμιστή παραμένει σταθερή και η αντίσταση αλλάζει.
Ένα τέτοιο κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο του και ονομάζεται παραμετρικός ρυθμιστής. Διατηρεί σταθερή την τάση φορτίου παρά τις διακυμάνσεις της τάσης εισόδου ή της κατανάλωσης ρεύματος (εντός ορισμένων ορίων). Χρησιμοποιείται επίσης ως βοηθητικό κύκλωμα όταν απαιτείται πηγή τάσης αναφοράς.
Χρησιμοποιείται επίσης για την προστασία του ευαίσθητου εξοπλισμού (αισθητήρες κ.λπ.) από μη φυσιολογικές υψηλές τάσεις (συνεχούς ρεύματος ή τυχαίους παλμούς) στη γραμμή τροφοδοσίας ή μέτρησης. Οτιδήποτε υπερβαίνει την τάση σταθεροποίησης της διάταξης ημιαγωγών "κόβεται". Ένα τέτοιο κύκλωμα ονομάζεται "φράγμα Zener".
Στο παρελθόν, η ιδιότητα ενός φράγματος Zener να "κόβει" κορυφές τάσης χρησιμοποιήθηκε ευρέως σε κυκλώματα διαμόρφωσης παλμών. Στα κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιήθηκαν συσκευές δύο καναλιών.
Όμως με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των τρανζίστορ και την έλευση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων η αρχή αυτή σπάνια χρησιμοποιήθηκε.
Εάν δεν έχετε στη διάθεσή σας έναν ρυθμιστή της σωστής τάσης, μπορεί να αποτελείται από δύο τάσεις. Η συνολική τάση σταθεροποίησης θα είναι ίση με το άθροισμα των δύο τάσεων.
Σημαντικό! Τα Stabilitrons δεν πρέπει να συνδέονται παράλληλα για να αυξηθεί το ρεύμα λειτουργίας! Η μεταβολή των χαρακτηριστικών τάσης-τάσης θα οδηγήσει στη θερμική διάσπαση του ενός σταθεροτρονίου, και στη συνέχεια το δεύτερο θα αποτύχει λόγω υπερβολικού ρεύματος φορτίου.
Αν και η τεχνική τεκμηρίωση από τη σοβιετική εποχή επιτρέπει παράλληλη παράλληλη σύνδεση των Στη σοβιετική εποχή επιτρέπεται η παράλληλη σύνδεση μηδενικών, αλλά με την προϋπόθεση ότι οι συσκευές πρέπει να είναι του ίδιου τύπου και ότι η συνολική πραγματική απώλεια ισχύος κατά τη λειτουργία δεν πρέπει να υπερβαίνει την επιτρεπόμενη για ένα μόνο σταθερότρο. Με άλλα λόγια, η αύξηση του ρεύματος λειτουργίας δεν μπορεί να επιτευχθεί με αυτή τη συνθήκη.
Χρησιμοποιείται ένα διαφορετικό κύκλωμα για την αύξηση του επιτρεπόμενου ρεύματος φορτίου. Ο παραμετρικός ρυθμιστής συμπληρώνεται από ένα τρανζίστορ για τη δημιουργία ενός επαναλήπτη εκπομπού με ένα φορτίο στο κύκλωμα εκπομπού και ένα σταθερό τάση στη βάση του τρανζίστορ.
Σε αυτή την περίπτωση η τάση εξόδου του ρυθμιστή θα είναι χαμηλότερη από τη σταθεροποίηση U κατά την τιμή της πτώσης τάσης στην ένωση εκπομπού - για ένα τρανζίστορ πυριτίου περίπου 0,6 V. Για να αντισταθμιστεί αυτή η μείωση, μπορεί να συνδεθεί μια δίοδος σε σειρά με τον σταθεροποιητή στην κατεύθυνση προς τα εμπρός.
Με αυτόν τον τρόπο (συμπεριλαμβάνοντας μία ή περισσότερες διόδους) η τάση εξόδου του ρυθμιστή μπορεί να ρυθμιστεί προς τα πάνω μέσα σε μικρά όρια. Εάν απαιτείται ένα ριζικά υψηλότερο Uv, είναι προτιμότερο να συμπεριλάβετε μια άλλη δίοδο σε σειρά.
Το πεδίο εφαρμογής του σταθεροτρονίου στα ηλεκτρονικά κυκλώματα είναι τεράστιο. Με μια συνειδητή προσέγγιση στην επιλογή αυτής της διάταξης ημιαγωγών θα βοηθήσει στην επίλυση πολλών καθηκόντων που τίθενται για τον σχεδιαστή.
Σχετικά άρθρα:
