Les diodes à l'état solide ont plusieurs "professions". Il peut rectifier la tension, découpler les circuits électriques, protéger les équipements d'une mauvaise alimentation électrique. Mais il existe un type de "fonctionnement" pas si normal d'une diode lorsque sa propriété de conduction unidirectionnelle est utilisée très indirectement. Un dispositif semi-conducteur pour lequel la polarisation inverse est le mode de fonctionnement normal est appelé un stabilisateur.
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Qu'est-ce qu'une diode zener, où elle est utilisée et quels sont les types de diodes existants ?
Un stabilitron, ou diode Zener (du nom du scientifique américain qui a été le premier à étudier et à décrire les propriétés de ce dispositif semi-conducteur), est une diode ordinaire avec une jonction p-n. Il se caractérise par son fonctionnement dans la région de polarisation négative, c'est-à-dire lorsqu'une tension est appliquée en polarité inverse. Une telle diode est utilisée comme un régulateur autonome, qui maintient la tension du consommateur constante quelles que soient les variations du courant de charge et les fluctuations de la tension d'entrée. Les ensembles de diodes stabilisées sont également utilisés comme sources de tension de référence pour d'autres stabilisateurs dotés de circuits avancés. Moins fréquemment, la diode inverse est utilisée comme élément de mise en forme des impulsions ou comme suppresseur de surtension.
Il existe des stabilisateurs classiques et des régulateurs à double-quadrature. Un stabilitron à double quadrature est constitué de deux diodes disposées en sens inverse dans le même boîtier. Il peut être remplacé par deux dispositifs séparés dans un circuit approprié.
Caractéristiques volt-ampère d'un Stabilitron et son fonctionnement
Afin de comprendre le fonctionnement d'un stabilisateur, il est nécessaire d'étudier sa caractéristique tension-ampère (VAC) typique.
Si une zener est alimentée dans le sens direct comme une diode normale, elle se comportera comme une diode normale. À environ 0,6 V (pour un dispositif en silicium), il s'ouvre et entre dans la section linéaire du CVC. En ce qui concerne le sujet de l'article, il est plus intéressant de voir comment la diode de stabilisation se comporte lorsque la tension de polarité inverse est appliquée (le côté négatif de la caractéristique). Dans un premier temps, sa résistance va augmenter fortement et l'appareil ne pourra plus transporter de courant. Mais lorsque la tension atteint une certaine valeur, il y a une forte augmentation du courant, appelée claquage. Il est de nature avalancheuse et disparaît lorsque le courant est coupé. Si la tension inverse continue à augmenter, la jonction p-n commence à chauffer et passe en mode de claquage thermique. Le claquage thermique est irréversible et signifie que la diode va tomber en panne, vous ne devez donc pas mettre la diode dans ce mode.
La section de claquage par avalanche du dispositif semi-conducteur est intéressante. Sa forme est proche de la linéarité et sa pente est élevée. Cela signifie qu'avec une variation importante du courant (ΔI), la variation de la chute de tension aux bornes du stabilisateur est relativement faible (ΔU). Et c'est la stabilisation.
Ce comportement lorsque la tension inverse est appliquée est caractéristique de toute diode. Mais la particularité d'une diode stabilisatrice est que ses paramètres à cette section du CVC sont normalisés. Sa tension de stabilisation et sa pente sont données (avec un certain écart) et sont des paramètres importants qui déterminent l'aptitude du dispositif à être utilisé dans un circuit. On peut les trouver dans des ouvrages de référence. Les diodes normales peuvent également être utilisées comme diodes de stabilisation - si vous prenez une photo de leur courbe de puissance et que vous en trouvez une avec une caractéristique appropriée parmi elles. Mais c'est un processus long et fastidieux dont le résultat n'est pas garanti.
Les principales caractéristiques d'une diode stabilisatrice sont les suivantes
Afin de sélectionner une diode Zener pour l'application en question, il faut tenir compte de plusieurs paramètres importants. Ces caractéristiques détermineront l'adéquation du dispositif choisi pour l'application.
Tension nominale de stabilisation
Le premier paramètre de la zener à prendre en compte lors du choix est la tension de stabilisation, qui est définie par le point de départ du claquage par avalanche. C'est le point de départ de la sélection d'un dispositif à utiliser dans un circuit. Des copies différentes d'une zener ordinaire, même du même type, ont une variation de tension de l'ordre de quelques pour cent, alors que la différence est plus faible pour les types de zener de précision. Si la tension nominale n'est pas connue, elle peut être déterminée en assemblant un circuit simple. Préparez-vous :
- Une résistance de ballast de 1...3 kΩ ;
- Source de tension ajustable ;
- Un voltmètre (un testeur peut être utilisé).
La tension d'alimentation doit être augmentée à partir de zéro et le voltmètre doit être utilisé pour vérifier l'augmentation de la tension aux bornes du régulateur. A un moment donné, il s'arrêtera malgré de nouvelles augmentations de la tension d'entrée. Il s'agit de la tension de stabilisation réelle. Si une source régulée n'est pas disponible, une alimentation avec une tension de sortie constante connue pour être supérieure à la stabilisation U peut être utilisée. Le circuit et le principe de mesure restent les mêmes. Mais il existe un risque de défaillance du dispositif semi-conducteur en raison d'un courant de fonctionnement excessif.
Les stabilisateurs sont utilisés pour des tensions de 2...3V jusqu'à 200V. Pour former une tension stable en dessous de cette plage, d'autres dispositifs sont utilisés - des stabilitrons, travaillant sur la section droite du CVC.
Plage de courant de fonctionnement
La gamme de courants à laquelle les dispositifs de stabilisation remplissent leur fonction est limitée en haut et en bas. En bas, elle est limitée au début du segment linéaire du côté opposé de la courbe caractéristique. À des courants plus faibles, la caractéristique ne permet pas de maintenir une tension constante.
La valeur supérieure est limitée par la dissipation de puissance maximale dont est capable le dispositif semi-conducteur et dépend de sa conception. Les stabilitrons dans des boîtiers métalliques sont conçus pour des courants plus élevés, mais il ne faut pas oublier l'utilisation de dissipateurs thermiques. Sans eux, la dissipation de puissance maximale admissible sera nettement inférieure.
Résistance différentielle
Un autre paramètre qui détermine les performances d'un régulateur est la résistance différentielle, Rc. Elle est définie comme le rapport entre la variation de la tension ΔU et la variation du courant ΔI qui en résulte. Il s'agit d'une valeur de résistance, mesurée en ohms. Graphiquement, c'est la tangente de la pente de la caractéristique. Évidemment, plus la résistance est faible, meilleure est la qualité de la stabilisation. Pour un stabilisateur idéal (inexistant dans la pratique), Rst est égal à zéro - toute augmentation du courant ne provoquera aucun changement de tension et la section de la courbe sera parallèle à l'axe des ordonnées.
Étiquetage des stabilisateurs
Les diodes stabilisatrices à encapsulation métallique, nationales et importées, sont étiquetées de manière simple et claire. Ils sont marqués du nom de l'appareil et de l'emplacement de l'anode et de la cathode sous la forme d'une désignation schématique.
Les appareils dans des boîtiers en plastique sont marqués par des anneaux et des points de couleurs différentes sur les côtés cathode et anode. La couleur et la combinaison des signes peuvent être utilisées pour déterminer le type d'appareil, mais il est nécessaire de consulter des ouvrages de référence ou d'utiliser des programmes de calcul. Les deux peuvent être trouvés sur l'internet.
Les tensions de stabilisation sont parfois imprimées sur des diodes de stabilisation de faible puissance.
Schémas de câblage du stabilisateur
Le circuit de base pour la commutation d'un régulateur est en série avec un une résistancequi règle le courant dans le dispositif semi-conducteur et absorbe la tension excédentaire. Ces deux éléments constituent diviseur commun. Lorsque la tension d'entrée change, la chute aux bornes du régulateur reste constante et la résistance change.
Un tel circuit peut être utilisé seul et s'appelle un régulateur paramétrique. Il maintient la tension de la charge constante malgré les fluctuations de la tension d'entrée ou de la consommation de courant (dans certaines limites). Il est également utilisé comme circuit auxiliaire lorsqu'une source de tension de référence est nécessaire.
Il est également utilisé pour protéger les équipements sensibles (capteurs, etc.) contre les hautes tensions anormales (DC ou impulsions aléatoires) dans la ligne d'alimentation ou de mesure. Tout ce qui dépasse la tension de stabilisation du dispositif semi-conducteur est "coupé". Un tel circuit est appelé "barrière Zener".
Dans le passé, la propriété d'une barrière Zener de "couper" les pointes de tension était largement utilisée dans les circuits de mise en forme des impulsions. Dans les circuits à courant alternatif, des dispositifs à deux canaux étaient utilisés.
Mais avec le développement de la technologie des transistors et l'avènement des circuits intégrés, ce principe a rarement été utilisé.
Si vous n'avez pas sous la main un régulateur de la bonne tension, il peut être composé de deux tensions. La tension de stabilisation totale sera égale à la somme des deux tensions.
Important ! Les stabilitrons ne doivent pas être connectés en parallèle pour augmenter le courant de fonctionnement ! La variation des caractéristiques tension-tension entraînera le claquage thermique d'un stabilitron, puis la défaillance du second en raison d'un courant de charge excessif.
Bien que la documentation technique de l'époque soviétique permette parallèle connexion parallèle de À l'époque soviétique, il est permis de connecter des zéros en parallèle, mais à condition que les dispositifs soient du même type et que la puissance totale effectivement dissipée pendant le fonctionnement ne dépasse pas celle autorisée pour un seul stabilitron. En d'autres termes, une augmentation du courant de fonctionnement ne peut être obtenue avec cette condition.
Un circuit différent est utilisé pour augmenter le courant de charge admissible. Le régulateur paramétrique est complété par un transistor afin de créer un répéteur d'émetteur avec une charge dans le circuit d'émetteur et une stabilité tension à la base du transistor.
Dans ce cas, la tension de sortie du régulateur sera inférieure à la stabilisation U de la valeur de la chute de tension à la jonction de l'émetteur - pour un transistor au silicium, environ 0,6 V. Pour compenser cette réduction, une diode peut être connectée en série avec le stabilisateur dans le sens direct.
De cette façon (en incluant une ou plusieurs diodes), la tension de sortie du régulateur peut être ajustée vers le haut dans de petites limites. Si une augmentation radicale de Uv est nécessaire, il est préférable d'inclure une autre diode en série.
Le champ d'application du stabilitron dans les circuits électroniques est vaste. Avec une approche consciente du choix, ce dispositif semi-conducteur aidera à résoudre de nombreuses tâches imposées au concepteur.
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