Solid-state diodes hebben vele "beroepen". Hij kan spanning gelijkrichten, elektrische circuits ontkoppelen en apparatuur beschermen tegen onjuiste stroomtoevoer. Maar er is een niet-zo-normaal soort "werking" van een diode wanneer zijn eenrichtingsgeleidingseigenschap zeer indirect wordt gebruikt. Een halfgeleiderapparaat waarvoor omgekeerde bias de normale werkingsmodus is, wordt een stabilisator genoemd.
Inhoud
Wat is een zenerdiode, waar wordt hij gebruikt en welke soorten bestaan er
Een stabilitron, of Zener-diode (genoemd naar de Amerikaanse wetenschapper die als eerste de eigenschappen van dit halfgeleiderapparaat bestudeerde en beschreef), is een gewone diode met een p-n-overgang. Hij wordt gekenmerkt door zijn werking in het negatieve bias-gebied, d.w.z. wanneer een spanning in omgekeerde polariteit wordt aangelegd. Een dergelijke diode wordt gebruikt als een op zichzelf staande regulator, die de verbruikersspanning constant houdt ongeacht variaties in de belastingsstroom en schommelingen in de ingangsspanning. Gestabiliseerde diodes worden ook gebruikt als referentiespanningsbronnen voor andere stabilisatoren met geavanceerde schakelingen. Minder vaak wordt de sperdiode gebruikt als pulsvormend element of als overspanningsonderdrukker.
Er zijn conventionele stabilisatoren en dubbel-kwadratuurregelaars. Een dubbel-kwadratuur stabilitron zijn twee diodes die in tegengestelde richting in dezelfde behuizing zijn aangebracht. Hij kan worden vervangen door twee afzonderlijke apparaten in een geschikt circuit.
Spanning-ampereigenschappen van een Stabilitron en hoe het werkt
Om te begrijpen hoe een stabilisator werkt, moet de typische volt-ampere karakteristiek (VAC) worden bestudeerd.
Als een zener in voorwaartse richting wordt bekrachtigd zoals een normale diode, zal hij zich als een normale diode gedragen. Bij ongeveer 0,6 V (voor een siliciumapparaat) gaat hij open en komt in het lineaire gedeelte van de CVC. Wat het onderwerp van het artikel betreft, is het interessanter te zien hoe de stabiliserende diode zich gedraagt wanneer de omgekeerde polariteitspanning wordt aangelegd (de negatieve kant van de karakteristiek). In het begin zal de weerstand sterk toenemen en zal het apparaat geen stroom meer geleiden. Maar wanneer de spanning een bepaalde waarde bereikt, zal er een sterke stijging van de stroom zijn, die doorslag wordt genoemd. Het is van een lawineachtige aard, en verdwijnt als de stroom wordt verwijderd. Als de sperspanning blijft toenemen, zal de p-n-overgang beginnen op te warmen en in thermische afbraakmodus gaan. Thermische afbraak is onomkeerbaar en betekent dat de diode zal falen, dus u moet de diode niet in deze modus zetten.
Het lawinedoorslaggedeelte van het halfgeleiderapparaat is interessant. De vorm is bijna lineair en de steilte is groot. Dit betekent dat bij een grote verandering in stroom (ΔI), de verandering in spanningsval over de stabilisator relatief klein is (ΔU). En dit is stabilisatie.
Dit gedrag bij toepassing van de sperspanning is kenmerkend voor elke diode. Maar de bijzonderheid van een stabilisatiediode is dat de parameters in dit gedeelte van de CVC genormaliseerd zijn. De stabilisatiespanning en de helling van de karakteristiek worden gespecificeerd (met een zekere spreiding) en zijn belangrijke parameters die de geschiktheid van het toestel voor gebruik in een circuit bepalen. Deze zijn te vinden in naslagwerken. Normale diodes kunnen ook worden gebruikt als stabilisatiediodes - als u een foto neemt van hun wattagecurve en er een bij vindt met een geschikte karakteristiek. Maar dit is een lang, tijdrovend proces met een niet-gegarandeerd resultaat.
De belangrijkste kenmerken van een stabilisatiediode zijn
Om een Zener diode te kiezen voor de toepassing in kwestie, zijn er verschillende belangrijke parameters die in acht moeten worden genomen. Deze kenmerken zullen bepalend zijn voor de geschiktheid van het gekozen toestel voor de toepassing.
Stabilisatiespanning
De eerste zenerparameter die bij de selectie in aanmerking moet worden genomen, is de stabilisatiespanning, die wordt bepaald door het startpunt van de lawinedoorslag. Dit is het uitgangspunt voor de selectie van een apparaat dat in een schakeling moet worden gebruikt. Verschillende exemplaren van gewone zeners, zelfs van hetzelfde type, hebben spanningsvariaties in de orde van enkele procenten, terwijl het verschil kleiner is voor precisie zeners. Indien de nominale spanning niet bekend is, kan deze worden bepaald door een eenvoudige schakeling samen te stellen. Bereid je voor:
- Een voorschakelweerstand van 1...3 kΩ;
- Instelbare spanningsbron;
- Een voltmeter (een tester mag worden gebruikt).
De voedingsspanning moet vanaf nul worden verhoogd en met de voltmeter moet de spanningsstijging over de regelaar worden gecontroleerd. Op een bepaald moment zal het stoppen, ondanks verdere verhogingen van de ingangsspanning. Dit is de eigenlijke stabilisatiespanning. Indien geen gereguleerde bron beschikbaar is, kan een voeding worden gebruikt met een constante uitgangsspanning waarvan bekend is dat deze hoger is dan de U-stabilisatie. Het circuit en het meetprincipe blijven hetzelfde. Maar er bestaat een risico dat de halfgeleider defect raakt als gevolg van een te hoge bedrijfsstroom.
Stabilisatoren worden gebruikt voor spanningen van 2...3V tot 200V. Om stabiele spanning onder dit bereik te vormen, worden andere apparaten gebruikt - stabilitrons, die werken op de rechte doorsnede van CVC.
Werkende huidige waaier
Het stroombereik waarbij stabilisatoren hun functie vervullen, is aan de boven- en onderzijde beperkt. Onderaan is het beperkt tot het begin van het lineaire segment van de keerzijde van de karakteristieke curve. Bij lagere stromen levert de karakteristiek geen spanningsstabiliteit op.
De maximumwaarde wordt beperkt door de maximale vermogensdissipatie waartoe het halfgeleiderelement in staat is en is afhankelijk van het ontwerp. Stabilitrons in metalen behuizingen zijn ontworpen voor hogere stromen, maar vergeet niet het gebruik van koellichamen. Zonder deze zal de hoogst toelaatbare vermogensdissipatie aanzienlijk lager zijn.
Differentiële weerstand
Een andere parameter die bepalend is voor de prestaties van een regelaar is de differentiële weerstand, Rc. Het wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de verandering in spanning ΔU en de resulterende verandering in stroom ΔI. Dit is een weerstandswaarde, gemeten in ohm. Grafisch is het de tangens van de helling van de karakteristiek. Het is duidelijk dat hoe lager de weerstand, hoe beter de stabilisatiekwaliteit. Voor een ideale (in de praktijk onbestaande) stabilisator is Rst nul - elke toename van de stroom zal geen verandering in de spanning veroorzaken en de doorsnede van de kromme zal evenwijdig zijn aan de ordinaatas.
Etikettering van stabilisatoren
Binnenlandse en geïmporteerde stabilisatiediodes met metalen omhulsel zijn eenvoudig en duidelijk gemarkeerd. Zij zijn voorzien van een etiket met de naam van het toestel en de plaats van de anode en de kathode als schematische voorstelling.
Apparaten in plastic behuizingen zijn gemarkeerd met ringen en stippen van verschillende kleuren aan de kathode- en anodezijde. Aan de hand van de kleur en de combinatie van tekens kan het type toestel worden bepaald, maar het is noodzakelijk naslagwerken te raadplegen of rekenprogramma's te gebruiken. Beide zijn te vinden op het internet.
Stabilisatiespanningen worden soms afgedrukt op stabilisatiediodes met een laag vermogen.
Bedradingsschema's stabilisator
De basisschakeling voor het schakelen van een regelaar staat in serie met een een weerstanddie de stroom door het halfgeleiderapparaat regelt en de overtollige spanning opneemt. De twee elementen vormen gemeenschappelijke deler. Wanneer de ingangsspanning verandert, blijft de daling over de regelaar constant en verandert de weerstand.
Een dergelijke schakeling kan op zichzelf worden gebruikt en wordt een parametrische stabilisator genoemd. Hij houdt de belastingsspanning constant ondanks schommelingen in de ingangsspanning of het stroomverbruik (binnen bepaalde grenzen). Het wordt ook gebruikt als hulpschakeling wanneer een referentiespanningsbron vereist is.
Hij wordt ook gebruikt om gevoelige apparatuur (sensoren, enz.) te beschermen tegen abnormale hoge spanningen (gelijkstroom of willekeurige pulsen) op de voedings- of meetlijn. Alles boven de stabilisatiespanning van het halfgeleiderapparaat wordt "afgesneden". Een dergelijke schakeling wordt een "Zener-barrière" genoemd.
In het verleden werd de eigenschap van een Zenerbarrière om spanningstoppen "af te snijden" veel gebruikt in pulsvormende schakelingen. In wisselstroomcircuits werden tweekanaals apparaten gebruikt.
Maar met de ontwikkeling van de transistortechnologie en de komst van geïntegreerde schakelingen is dit principe nog maar zelden toegepast.
Indien u geen spanningsregelaar met de juiste spanning bij de hand hebt, kan deze uit twee spanningen bestaan. De totale stabilisatiespanning zal gelijk zijn aan de som van de twee spanningen.
Belangrijk! Stabilitrons mogen niet parallel worden geschakeld om de bedrijfsstroom te verhogen! De variatie van de spanning-spanningskarakteristieken zal leiden tot de thermische afbraak van één stabilitron, waarna het tweede zal bezwijken door een te hoge belastingsstroom.
Hoewel de technische documentatie uit de Sovjettijd parallel parallelle aansluiting van In de Sovjettijd is het toegestaan nullen parallel te schakelen, maar met dien verstande dat de apparaten van hetzelfde type moeten zijn en dat de totale werkelijke vermogensdissipatie tijdens de werking niet meer mag bedragen dan voor één stabilitron is toegestaan. Met andere woorden, een verhoging van de bedrijfsstroom kan met deze voorwaarde niet worden bereikt.
Een andere schakeling wordt gebruikt om de toelaatbare belastingsstroom te verhogen. De parametrische regelaar wordt aangevuld met een transistor om een emitter-repeater te creëren met een belasting in het emittercircuit en een stabiele spanning aan de basis van de transistor.
In dit geval zal de uitgangsspanning van de regelaar lager zijn dan de U-stabilisatie met de waarde van de spanningsval aan de emitterjunctie - voor een siliciumtransistor ongeveer 0,6 V. Ter compensatie van deze reductie kan een diode in serie worden geschakeld met de stabilisator in voorwaartse richting.
Op deze wijze (door het opnemen van een of meer diodes) kan de uitgangsspanning van de regelaar binnen kleine grenzen naar boven worden bijgesteld. Indien een radicaal hogere Uv nodig is, is het beter een andere diode in serie te schakelen.
Het toepassingsgebied van het stabilitron in elektronische schakelingen is enorm. Met een bewuste benadering van de keuze zal dit halfgeleiderapparaat helpen bij het oplossen van vele taken die aan de ontwerper worden gesteld.
Verwante artikelen:
