Kiinteän tilan diodeilla on monia "ammatteja". Se voi tasasuunnata jännitettä, irrottaa sähköpiirejä, suojata laitteita väärältä virransyötöltä. Diodin "toiminta" ei kuitenkaan ole aivan tavanomaista, kun sen yksisuuntaista johtumisominaisuutta käytetään hyvin epäsuorasti. Puolijohdekomponenttia, jonka normaali toimintatapa on käänteinen harhautus, kutsutaan stabilaattoriksi.
Sisältö
Mikä on zener-diodi, missä sitä käytetään ja millaisia zener-diodeja on olemassa?
Stabilitroni eli Zener-diodi (nimetty amerikkalaisen tiedemiehen mukaan, joka ensimmäisenä tutki ja kuvasi tämän puolijohdekomponentin ominaisuudet) on tavallinen diodi, jossa on p-n-liitos. Sille on ominaista, että se toimii negatiivisella bias-alueella, eli kun jännite on käänteinen. Tällaista diodia käytetään itsenäisenä säätimenä, joka pitää kuluttajan jännitteen vakiona kuormitusvirran vaihteluista ja tulojännitteen vaihteluista riippumatta. Stabiloituja diodikokoonpanoja käytetään myös vertailujännitelähteinä muissa kehittyneillä virtapiireillä varustetuissa stabilaattoreissa. Harvemmin käänteisdiodia käytetään pulssinmuodostuselementtinä tai ylijännitesuojatoimintona.
On olemassa tavanomaisia vakauttajia ja kaksoiskvadraattorisäätimiä. Kaksoiskvadraattorinen stabilitroni on kaksi vastakkaisiin suuntiin sijoitettua diodia samassa kotelossa. Se voidaan korvata kahdella erillisellä laitteella sopivassa piirissä.
Stabilitronin jännite-ampeeriominaisuudet ja sen toimintaperiaatteet
Vakauttajan toiminnan ymmärtämiseksi on tutkittava sen tyypillistä voltti-ampeeri-ominaisuutta (VAC).
Jos zeneriä jännitetään eteenpäin kuten tavallista diodia, se käyttäytyy kuten tavallinen diodi. Noin 0,6 V:n jännitteellä (piilaitteessa) se avautuu ja siirtyy CVC:n lineaariseen osaan. Artikkelin aiheen kannalta on mielenkiintoisempaa nähdä, miten vakautusdiodi käyttäytyy, kun siihen kytketään käänteisjännite (ominaisuuden negatiivinen puoli). Aluksi sen resistanssi kasvaa jyrkästi ja laite lakkaa kuljettamasta virtaa. Mutta kun jännite saavuttaa tietyn arvon, virta kasvaa jyrkästi, jota kutsutaan hajoamiseksi. Se on luonteeltaan lumivyöry, ja se katoaa, kun virta katkaistaan. Jos käänteisjännite kasvaa edelleen, p-n-liitos alkaa lämmetä ja siirtyä termiseen hajoamistilaan. Lämpökatkos on peruuttamaton ja tarkoittaa, että diodi menee epäkuntoon, joten diodia ei pidä laittaa tähän tilaan.
Puolijohdekomponentin lumivyöryn läpilyöntiosa on mielenkiintoinen. Sen muoto on lähes lineaarinen, ja sen jyrkkyys on suuri. Tämä tarkoittaa sitä, että kun virran muutos (ΔI) on suuri, jännitehäviön muutos vakauttajan yli on suhteellisen pieni (ΔU). Ja tämä on vakauttamista.
Tämä käyttäytyminen käänteisjännitettä käytettäessä on ominaista mille tahansa diodille. Vakauttavan diodin erityispiirre on kuitenkin se, että sen parametrit CVC:n tässä osassa ovat normalisoituja. Sen vakautusjännite ja kaltevuus on annettu (tietyllä hajonnalla), ja ne ovat tärkeitä parametreja, jotka määrittävät laitteen soveltuvuuden käytettäväksi piirissä. Nämä löytyvät hakuteoksista. Tavallisia diodeja voidaan käyttää myös vakautusdiodina - jos otat kuvan niiden tehokäyrästä ja löydät joukosta sellaisen, jolla on sopiva ominaisuus. Tämä on kuitenkin pitkä ja aikaa vievä prosessi, jonka tulos ei ole taattu.
Vakauttavan diodin tärkeimmät ominaisuudet ovat seuraavat
Jotta Zener-diodi voidaan valita kyseiseen sovellukseen, on otettava huomioon useita tärkeitä parametreja. Nämä ominaisuudet määräävät valitun laitteen soveltuvuuden sovellukseen.
Vakautusjännitteen nimellisarvo
Ensimmäinen zeneriparametri, joka on otettava huomioon valittaessa, on vakautusjännite, joka määritellään lumivyöryn läpilyönnin alkupisteen mukaan. Tämä on lähtökohta piirissä käytettävän laitteen valinnalle. Tavallisen zenerin eri kopioiden, jopa samantyyppisten, jännitevaihtelut ovat muutaman prosentin luokkaa, kun taas tarkkuuszenerien kohdalla ero on pienempi. Jos nimellisjännitettä ei tunneta, se voidaan määrittää kokoamalla yksinkertainen virtapiiri. Valmistaudu:
- Liitäntälaitteen vastus 1...3 kΩ;
- Säädettävä jännitelähde;
- Volttimittari (voidaan käyttää testeriä).
Virransyöttöjännitettä on nostettava nollasta ja jännitemittarilla on tarkistettava jännitteen nousu säätimen yli. Jossain vaiheessa se pysähtyy, vaikka syöttöjännite kasvaa edelleen. Tämä on todellinen vakautusjännite. Jos säänneltyä lähdettä ei ole käytettävissä, voidaan käyttää virtalähdettä, jonka lähtöjännite on vakio, jonka tiedetään olevan korkeampi kuin U-stabilointi. Piiri ja mittausperiaate pysyvät samoina. On kuitenkin olemassa riski, että puolijohdekomponentti vioittuu liiallisen käyttövirran vuoksi.
Vakauttajia käytetään 2...3V:n ja 200V:n välisille jännitteille. Tämän alueen alapuolella olevan vakaan jännitteen muodostamiseksi käytetään muita laitteita - stabilitroneja, jotka toimivat CVC:n suoralla osuudella.
Toimintavirta-alue
Virta-alue, jolla vakautuslaitteet toimivat, on rajoitettu ylä- ja alapuolella. Alhaalla se rajoittuu ominaiskäyrän kääntöpuolen lineaarisen segmentin alkuun. Pienemmillä virroilla ominaisuus ei tarjoa jännitteen pysyvyyttä.
Ylempää arvoa rajoittaa maksimitehohäviö, johon puolijohdekomponentti kykenee, ja se riippuu sen rakenteesta. Metallisissa koteloissa olevat stabilitronit on suunniteltu suuremmille virroille, mutta älä unohda jäähdytyslevyjen käyttöä. Ilman näitä suurin sallittu häviöteho on huomattavasti pienempi.
Differentiaalinen vastus
Toinen parametri, joka määrittää säätimen suorituskyvyn, on differentiaaliresistanssi Rc. Se määritellään jännitteen ΔU muutoksen ja siitä johtuvan virran ΔI muutoksen suhteena. Tämä on vastusarvo, joka mitataan ohmeina. Graafisesti se on ominaisarvon kaltevuuden tangentti. On selvää, että mitä pienempi vastus on, sitä parempi on stabiloinnin laatu. Ihanteellisessa (käytännössä olemattomassa) vakaajassa Rst on nolla - mikään virran lisäys ei aiheuta mitään muutosta jännitteessä, ja käyrän leikkaus on yhdensuuntainen ordinaattiakselin kanssa.
Stabilitserien merkinnät
Kotimaiset ja maahantuodut metallikapseloidut stabilointidiodit on merkitty yksinkertaisesti ja selkeästi. Niihin on merkitty laitteen nimi sekä anodin ja katodin sijainti kaavamaisen merkinnän muodossa.
Muovikoteloissa olevat laitteet on merkitty erivärisillä renkailla ja pisteillä katodin ja anodin puolelle. Merkkien värin ja yhdistelmän perusteella voidaan määrittää laitteen tyyppi, mutta on tarpeen tutustua hakuteoksiin tai käyttää laskentaohjelmia. Molemmat löytyvät internetistä.
Vakautusjännitteet on joskus painettu pienitehoisiin vakautusdiodeihin.
Vakauttajan kytkentäkaaviot
Säätimen kytkennän peruspiiri on sarjaan kytkettyyn vastusjoka säätää virran puolijohdekomponentin läpi ja ottaa ylimääräisen jännitteen vastaan. Nämä kaksi elementtiä muodostavat yhteinen jakaja. Kun tulojännite muuttuu, pudotus säätimen yli pysyy vakiona ja vastus muuttuu.
Tällaista piiriä voidaan käyttää sellaisenaan, ja sitä kutsutaan parametriseksi säätimeksi. Se pitää kuorman jännitteen vakiona tulojännitteen tai virrankulutuksen vaihteluista huolimatta (tietyissä rajoissa). Sitä käytetään myös apupiirinä, kun tarvitaan viitejännitelähdettä.
Sitä käytetään myös suojaamaan herkkiä laitteita (antureita jne.) syöttö- tai mittausjohdon epänormaaleilta korkeilta jännitteiltä (tasavirta tai satunnaiset pulssit). Kaikki, mikä ylittää puolijohdekomponentin vakautusjännitteen, "katkaistaan". Tällaista piiriä kutsutaan "Zener-suluksi".
Aikaisemmin Zener-esteen ominaisuutta "katkaista" jännitteen huiput käytettiin laajalti pulssinmuotoilupiireissä. Vaihtovirtapiireissä käytettiin kaksikanavaisia laitteita.
Transistoritekniikan kehittymisen ja integroitujen piirien tulon myötä tätä periaatetta on kuitenkin käytetty harvoin.
Jos sinulla ei ole käsillä oikean jännitteen regulaattoria, se voi koostua kahdesta jännitteestä. Kokonaisstabilointijännite on yhtä suuri kuin näiden kahden jännitteen summa.
Tärkeää! Stabilitroneja ei saa kytkeä rinnakkain toimintavirran kasvattamiseksi! Jännite-jännite-ominaisuuksien vaihtelu johtaa yhden stabiilitronin termiseen hajoamiseen, minkä jälkeen toinen stabiilitroni pettää liiallisen kuormitusvirran vuoksi.
Vaikka Neuvostoliiton aikainen tekninen dokumentaatio mahdollistaa rinnakkainen rinnakkaiskytkentä Neuvostoaikana on sallittua kytkeä nollakytkimet rinnakkain, mutta sillä edellytyksellä, että laitteiden on oltava samantyyppisiä ja että niiden todellinen kokonaishäviöteho ei saa ylittää yhden stabilitronin sallittua arvoa. Toisin sanoen toimintavirtaa ei voida kasvattaa tällä ehdolla.
Sallitun kuormitusvirran lisäämiseksi käytetään erilaista piiriä. Parametrista säädintä täydennetään transistorilla, jotta saadaan aikaan emitterin toistin, jossa on kuorma emitteripiirissä ja vakaa jännite transistorin pohjalla.
Tällöin säätimen lähtöjännite on emitteriliitoksessa olevan jännitehäviön arvon verran pienempi kuin U-stabilointi - piitransistorin tapauksessa noin 0,6 V. Tämän vähennyksen kompensoimiseksi voidaan kytkeä diodi sarjaan vakauttajan kanssa eteenpäin suuntautuvaan suuntaan.
Tällä tavoin (yhden tai useamman diodin avulla) säätimen lähtöjännitettä voidaan säätää ylöspäin pienissä rajoissa. Jos Uv:tä on lisättävä radikaalisti, on parempi lisätä toinen diodi sarjaan.
Stabilitronin käyttömahdollisuudet elektroniikkapiireissä ovat laajat. Kun valintaa lähestytään tietoisesti, tämä puolijohdekomponentti auttaa ratkaisemaan monia suunnittelijalle asetettuja tehtäviä.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
