I diodi a stato solido hanno molte "professioni". Può raddrizzare la tensione, disaccoppiare i circuiti elettrici, proteggere le attrezzature da un'alimentazione impropria. Ma c'è un tipo di "funzionamento" non così normale di un diodo quando la sua proprietà di conduzione unidirezionale è usata molto indirettamente. Un dispositivo a semiconduttore per il quale la polarizzazione inversa è il normale modo di funzionamento è chiamato stabilizzatore.
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Cos'è un diodo zener, dove si usa e quali tipi esistono
Uno stabilitron, o diodo Zener (dal nome dello scienziato americano che per primo ha studiato e descritto le proprietà di questo dispositivo semiconduttore), è un diodo regolare con una giunzione p-n. Si caratterizza per il suo funzionamento nella regione di polarizzazione negativa, cioè quando una tensione è applicata in polarità inversa. Un tale diodo è usato come un regolatore autonomo, mantenendo costante la tensione di consumo indipendentemente dalle variazioni della corrente di carico e dalle fluttuazioni della tensione d'ingresso. I gruppi di diodi stabilizzati sono anche utilizzati come fonti di tensione di riferimento per altri stabilizzatori con circuiti avanzati. Meno frequentemente, il diodo inverso è usato come elemento di formazione degli impulsi o come soppressore di picchi.
Ci sono stabilizzatori convenzionali e regolatori a doppia quadratura. Uno stabilitron a doppia quadratura è costituito da due diodi disposti in direzioni opposte nello stesso alloggiamento. Può essere sostituito da due dispositivi separati in un circuito adeguato.
Caratteristiche Volt-ampere di uno Stabilitron e come funziona
Per capire come funziona uno stabilizzatore, è necessario studiare la sua tipica caratteristica volt-ampere (VAC).
Se uno zener viene alimentato in direzione avanti come un diodo normale, si comporterà come un diodo normale. A circa 0,6 V (per un dispositivo al silicio) si apre ed entra nella sezione lineare del CVC. Per quanto riguarda l'articolo, è più interessante vedere come si comporta il diodo stabilizzatore quando viene applicata la tensione di polarità inversa (il lato negativo della caratteristica). All'inizio la sua resistenza aumenterà bruscamente e il dispositivo smetterà di trasportare corrente. Ma quando la tensione raggiunge un certo valore, ci sarà un forte aumento di corrente, chiamato breakdown. È di natura a valanga e scompare quando viene tolta la corrente. Se la tensione inversa continua ad aumentare, la giunzione p-n comincerà a riscaldarsi e ad andare in modalità di breakdown termico. La rottura termica è irreversibile e significa che il diodo si guasterà, quindi non si dovrebbe mettere il diodo in questa modalità.
La sezione di ripartizione a valanga del dispositivo a semiconduttore è interessante. La sua forma è quasi lineare e ha un'alta ripidità. Ciò significa che con una grande variazione di corrente (ΔI), la variazione della caduta di tensione attraverso lo stabilizzatore è relativamente piccola (ΔU). E questa è la stabilizzazione.
Questo comportamento quando viene applicata la tensione inversa è caratteristico di qualsiasi diodo. Ma la particolarità di un diodo stabilizzatore è che i suoi parametri in questa sezione del CVC sono normalizzati. La sua tensione di stabilizzazione e la sua pendenza sono date (con una certa variazione) e sono parametri importanti che determinano l'idoneità del dispositivo per l'uso in un circuito. Questi possono essere trovati nei libri di riferimento. I diodi normali possono anche essere usati come diodi stabilizzatori - se si fa una foto della loro curva di wattaggio e se ne trova uno con una caratteristica adatta tra loro. Ma questo è un processo lungo, che richiede tempo e un risultato non garantito.
Le caratteristiche principali di un diodo stabilizzatore sono
Per selezionare un diodo Zener per l'applicazione in questione, ci sono diversi parametri importanti da conoscere. Queste caratteristiche determineranno l'idoneità del dispositivo selezionato per l'applicazione.
Tensione nominale di stabilizzazione
Il primo parametro dello zener da considerare nella scelta è la tensione di stabilizzazione, che è definita dal punto di inizio della rottura a valanga. Questo è il punto di partenza per la selezione di un dispositivo da utilizzare in un circuito. Copie diverse di zener ordinari, anche dello stesso tipo, hanno una variazione di tensione nell'ordine di qualche percento, mentre la differenza è inferiore per quelli di precisione. Se la tensione nominale non è nota, può essere determinata assemblando un semplice circuito. Prepararsi:
- Una resistenza di zavorra di 1...3 kΩ;
- Fonte di tensione regolabile;
- Un voltmetro (si può usare un tester).
La tensione di alimentazione dovrebbe essere aumentata da zero e il voltmetro dovrebbe essere usato per controllare l'aumento di tensione attraverso il regolatore. Ad un certo punto si fermerà nonostante ulteriori aumenti della tensione d'ingresso. Questa è la tensione di stabilizzazione effettiva. Se non è disponibile una fonte regolata, si può usare un'alimentazione con una tensione d'uscita costante nota per essere superiore alla stabilizzazione U. Il circuito e il principio di misurazione rimangono gli stessi. Ma c'è un rischio di fallimento del dispositivo a semiconduttore a causa di una corrente di funzionamento eccessiva.
Gli stabilizzatori sono utilizzati per tensioni da 2...3V fino a 200V. Per formare una tensione stabile al di sotto di questo intervallo, vengono utilizzati altri dispositivi - gli stabilitroni, che lavorano su una sezione diritta del CVC.
Intervallo di corrente d'esercizio
La gamma di correnti a cui i dispositivi di stabilizzazione svolgono la loro funzione è limitata in alto e in basso. In basso si limita all'inizio del segmento lineare del lato inverso della curva caratteristica. A correnti più basse, la caratteristica non fornisce la costanza di tensione.
Il valore superiore è limitato dalla massima dissipazione di potenza di cui è capace il dispositivo a semiconduttore e dipende dal suo design. Gli stabilizzatori in involucri di metallo sono progettati per correnti più elevate, ma non dimenticate l'uso di dissipatori di calore. Senza questi, la massima dissipazione di potenza ammissibile sarà significativamente inferiore.
Resistenza differenziale
Un altro parametro che determina le prestazioni di un regolatore è la resistenza differenziale, Rc. È definito come il rapporto tra la variazione di tensione ΔU e la variazione di corrente risultante ΔI. Questo è un valore di resistenza, misurato in ohm. Graficamente, è la tangente della pendenza della caratteristica. Ovviamente, più bassa è la resistenza, migliore è la qualità della stabilizzazione. Per uno stabilizzatore ideale (inesistente in pratica), Rst è zero - qualsiasi aumento di corrente non causerà alcun cambiamento nella tensione e la sezione della curva sarà parallela all'asse delle ordinate.
Etichettatura di Stabilitzers
I diodi stabilizzatori nazionali e importati incapsulati in metallo sono etichettati in modo semplice e chiaro. Sono contrassegnati con il nome del dispositivo e la posizione dell'anodo e del catodo sotto forma di designazione schematica.
I dispositivi in alloggiamenti di plastica sono contrassegnati da anelli e punti di diversi colori sul lato catodico e anodico. Il colore e la combinazione dei segni possono essere utilizzati per determinare il tipo di apparecchio, ma è necessario consultare libri di riferimento o utilizzare programmi di calcolo. Entrambi possono essere trovati su internet.
Le tensioni di stabilizzazione sono talvolta stampate su diodi stabilizzatori a bassa potenza.
Schemi di cablaggio dello stabilizzatore
Il circuito di base per la commutazione di un regolatore è in serie con un una resistenzache stabilisce la corrente attraverso il dispositivo a semiconduttore e assorbe la tensione in eccesso. I due elementi compongono divisore comune. Quando la tensione d'ingresso cambia, la caduta attraverso il regolatore rimane costante e la resistenza cambia.
Un tale circuito può essere usato da solo e viene chiamato regolatore parametrico. Mantiene la tensione di carico costante nonostante le fluttuazioni della tensione d'ingresso o il consumo di corrente (entro certi limiti). È anche usato come circuito ausiliario dove è richiesta una fonte di tensione di riferimento.
Si usa anche per proteggere le apparecchiature sensibili (sensori, ecc.) contro il verificarsi anomalo di alte tensioni (DC o impulsi casuali) nella linea di alimentazione o di misurazione. Tutto ciò che supera la tensione di stabilizzazione del dispositivo a semiconduttore è "tagliato fuori". Un tale circuito è chiamato "barriera Zener".
In passato, la proprietà di una barriera Zener di "tagliare" i picchi di tensione era ampiamente utilizzata nei circuiti di formazione degli impulsi. Nei circuiti AC, sono stati utilizzati dispositivi a due canali.
Ma con lo sviluppo della tecnologia dei transistor e l'avvento dei circuiti integrati questo principio è stato raramente utilizzato.
Se non avete a portata di mano un regolatore della tensione corretta, può essere composto da due tensioni. La tensione totale di stabilizzazione sarà uguale alla somma delle due tensioni.
Importante! Gli stabilizzatori non devono essere collegati in parallelo per aumentare la corrente di funzionamento! La variazione delle caratteristiche tensione-tensione porterà alla rottura termica di uno stabilitron, poi il secondo si guasterà a causa di una corrente di carico eccessiva.
Anche se la documentazione tecnica dell'epoca sovietica permette parallelo collegamento in parallelo di In epoca sovietica è permesso collegare gli zeri in parallelo, ma con la condizione che i dispositivi devono essere dello stesso tipo e la dissipazione di potenza totale effettiva durante il funzionamento non deve superare quella consentita per un singolo stabilitron. In altre parole, un aumento della corrente di funzionamento non può essere ottenuto con questa condizione.
Un circuito diverso è utilizzato per aumentare la corrente di carico ammissibile. Il regolatore parametrico è integrato da un transistor per creare un ripetitore di emettitore con un carico nel circuito di emettitore e una stabile tensione alla base del transistor.
In questo caso la tensione di uscita del regolatore sarà inferiore alla stabilizzazione U per il valore della caduta di tensione alla giunzione di emettitore - per un transistor al silicio circa 0,6 V. Per compensare questa riduzione, un diodo può essere collegato in serie con lo stabilizzatore in direzione avanti.
In questo modo (includendo uno o più diodi) la tensione di uscita del regolatore può essere regolata verso l'alto entro piccoli limiti. Se è necessario un aumento radicale di Uv, è meglio includere un altro diodo in serie.
Il campo di applicazione dello stabilitron nei circuiti elettronici è vasto. Con un approccio consapevole alla scelta questo dispositivo a semiconduttore aiuterà a risolvere molti compiti fissati per il progettista.
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