Diody półprzewodnikowe mają wiele "zawodów". Może prostować napięcie, odsprzęgać obwody elektryczne, chronić urządzenia przed niewłaściwym zasilaniem. Istnieje jednak pewien niezbyt normalny rodzaj "działania" diody, gdy jej jednokierunkowa właściwość przewodzenia jest wykorzystywana bardzo pośrednio. Przyrząd półprzewodnikowy, dla którego normalnym trybem pracy jest odwrotne zbocznikowanie, nazywany jest stabilizatorem.
Spis treści
Co to jest dioda zenera, gdzie się ją stosuje i jakie są jej rodzaje?
Stabilitron, czyli dioda Zenera (nazwana tak na cześć amerykańskiego naukowca, który jako pierwszy zbadał i opisał właściwości tego przyrządu półprzewodnikowego), to zwykła dioda ze złączem p-n. Charakteryzuje się działaniem w obszarze ujemnej polaryzacji, tzn. gdy napięcie jest przyłożone odwrotnie. Dioda taka jest stosowana jako samodzielny regulator, utrzymujący napięcie odbiornika na stałym poziomie niezależnie od zmian prądu obciążenia i wahań napięcia wejściowego. Zespoły stabilizowanych diod są również wykorzystywane jako źródła napięcia odniesienia dla innych stabilizatorów z zaawansowanymi układami. Rzadziej dioda wsteczna jest wykorzystywana jako element kształtujący impulsy lub jako tłumik przepięć.
Istnieją konwencjonalne stabilizatory i regulatory dwukwadraturowe. Stabilitron dwukwadraturowy to dwie diody ułożone w przeciwnych kierunkach w tej samej obudowie. Można go zastąpić dwoma oddzielnymi urządzeniami w odpowiednim układzie.
Charakterystyka woltowo-amperowa stabilizatora i sposób jego działania
Aby zrozumieć sposób działania stabilizatora, należy zapoznać się z jego typową charakterystyką woltowo-amperową (VAC).
Jeśli dioda zenera jest zasilana w kierunku do przodu, tak jak zwykła dioda, będzie się zachowywać jak zwykła dioda. Przy napięciu ok. 0,6 V (dla urządzenia krzemowego) nastąpi otwarcie i wejście do sekcji liniowej CVC. Z punktu widzenia tematu artykułu bardziej interesujące jest zachowanie diody stabilizacyjnej po podaniu napięcia o odwrotnej polaryzacji (ujemna strona charakterystyki). Na początku jego opór gwałtownie wzrośnie i urządzenie przestanie przewodzić prąd. Jednak gdy napięcie osiągnie pewną wartość, nastąpi gwałtowny wzrost natężenia prądu, zwany przebiciem. Ma on charakter lawinowy i znika po odłączeniu zasilania. Jeśli napięcie wsteczne będzie nadal rosło, złącze p-n zacznie się nagrzewać i przejdzie w stan przebicia termicznego. Załamanie termiczne jest nieodwracalne i oznacza awarię diody, dlatego nie należy wprowadzać diody w ten tryb.
Interesująca jest sekcja lawinowego załamania przyrządu półprzewodnikowego. Jego kształt jest zbliżony do liniowego i ma dużą stromość. Oznacza to, że przy dużej zmianie prądu (ΔI), zmiana spadku napięcia na stabilizatorze jest stosunkowo niewielka (ΔU). I to jest właśnie stabilizacja.
Takie zachowanie po podaniu napięcia wstecznego jest charakterystyczne dla każdej diody. Osobliwością diody stabilizującej jest to, że jej parametry na tym odcinku CVC są znormalizowane. Jego napięcie stabilizujące i nachylenie charakterystyki są określone (z pewną rozpiętością) i są ważnymi parametrami, które decydują o przydatności urządzenia do zastosowania w obwodzie. Można je znaleźć w książkach referencyjnych. Zwykłe diody można również wykorzystać jako diody stabilizujące - jeśli wykona się zdjęcie ich krzywej mocy i znajdzie wśród nich taką, która ma odpowiednią charakterystykę. Jest to jednak długi, czasochłonny proces, którego wynik nie jest gwarantowany.
Główne właściwości diody stabilizacyjnej to
Aby dobrać diodę Zenera do danego zastosowania, należy zwrócić uwagę na kilka ważnych parametrów. Charakterystyka ta decyduje o przydatności wybranego urządzenia do danego zastosowania.
Napięcie znamionowe stabilizacji
Pierwszym parametrem zenera, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze, jest napięcie stabilizacji, określane przez punkt początkowy załamania lawinowego. Jest to punkt wyjścia do wyboru urządzenia, które ma być użyte w obwodzie. Różne egzemplarze zwykłego zenera, nawet tego samego typu, mają różnice napięć rzędu kilku procent, podczas gdy w przypadku zenerów precyzyjnych różnice te są mniejsze. Jeśli napięcie znamionowe nie jest znane, można je wyznaczyć, tworząc prosty obwód. Przygotuj się:
- Opornik balastowy o wartości 1...3 kΩ;
- Regulowane źródło napięcia;
- Woltomierz (można użyć testera).
Napięcie zasilające należy podnieść od zera i za pomocą woltomierza sprawdzić wzrost napięcia na regulatorze. W pewnym momencie zatrzyma się mimo dalszego zwiększania napięcia wejściowego. Jest to rzeczywiste napięcie stabilizacyjne. Jeśli nie jest dostępne źródło regulowane, można użyć zasilacza o stałym napięciu wyjściowym, o którym wiadomo, że jest wyższe niż stabilizacja U. Układ i zasada pomiaru pozostają bez zmian. Istnieje jednak ryzyko uszkodzenia przyrządu półprzewodnikowego z powodu zbyt dużego prądu roboczego.
Stabilizatory są stosowane dla napięć od 2...3V do 200V. Aby wytworzyć stabilne napięcie poniżej tego zakresu, stosuje się inne urządzenia - stabilizatory, pracujące na prostym odcinku CVC.
Zakres prądu roboczego
Zakres prądów, przy których regulatory spełniają swoją funkcję, jest ograniczony na górze i na dole. W dolnej części jest ona ograniczona do początku odcinka liniowego odwrotnej strony krzywej charakterystycznej. Przy niższych prądach charakterystyka nie zapewnia stałości napięcia.
Górna wartość jest ograniczona maksymalnym rozproszeniem mocy, do którego zdolne jest urządzenie półprzewodnikowe, i zależy od jego konstrukcji. Stabilitrony w obudowach metalowych są przeznaczone do pracy przy większych prądach, ale nie należy zapominać o zastosowaniu radiatorów. Bez nich najwyższa dopuszczalna wartość rozpraszania mocy będzie znacznie niższa.
Opór różnicowy
Innym parametrem, który decyduje o działaniu regulatora, jest rezystancja różnicowa, Rc. Definiuje się go jako stosunek zmiany napięcia ΔU do wynikającej z niej zmiany prądu ΔI. Jest to wartość rezystancji mierzona w omach. Graficznie jest to tangens nachylenia charakterystyki. Oczywiście, im mniejszy opór, tym lepsza jakość stabilizacji. Dla idealnego (nieistniejącego w praktyce) stabilizatora, Rst wynosi zero - wzrost prądu nie spowoduje zmiany napięcia, a odcinek krzywej będzie równoległy do osi rzędnych.
Etykietowanie stabilizatorów
Krajowe i importowane diody stabilizacyjne z metalową obudową są oznakowane w prosty i czytelny sposób. Są one oznaczone nazwą urządzenia oraz lokalizacją anody i katody w postaci schematycznego oznaczenia.
Urządzenia w obudowach z tworzywa sztucznego są oznaczone różnokolorowymi pierścieniami i kropkami po stronie katody i anody. Do określenia typu urządzenia można wykorzystać kolor i kombinację znaków, ale konieczne jest skorzystanie z książek referencyjnych lub użycie programów kalkulacyjnych. Oba można znaleźć w Internecie.
Napięcia stabilizujące są czasami drukowane na diodach stabilizujących o niskim poborze mocy.
Schematy połączeń stabilizatora
Podstawowy obwód przełączania regulatora jest połączony szeregowo z opornikktóry ustala natężenie prądu przez przyrząd półprzewodnikowy i odbiera nadmiar napięcia. Te dwa elementy składają się na wspólny rozdzielacz. Gdy zmienia się napięcie wejściowe, spadek napięcia na regulatorze pozostaje stały, natomiast zmienia się rezystor.
Taki układ może być stosowany samodzielnie i jest nazywany regulatorem parametrycznym. Utrzymuje on stałe napięcie obciążenia pomimo wahań napięcia wejściowego lub poboru prądu (w pewnych granicach). Jest on również używany jako obwód pomocniczy, gdy wymagane jest źródło napięcia odniesienia.
Stosuje się je również do ochrony czułych urządzeń (czujników itp.) przed nienormalnie wysokimi napięciami (stałymi lub losowymi) w linii zasilającej lub pomiarowej. Wszystko powyżej napięcia stabilizacji urządzenia półprzewodnikowego jest "odcinane". Taki obwód nazywany jest "barierą Zenera".
W przeszłości właściwość bariery Zenera polegająca na "odcinaniu" wierzchołków napięcia była szeroko wykorzystywana w układach kształtowania impulsów. W obwodach prądu przemiennego stosowano urządzenia dwukanałowe.
Jednak wraz z rozwojem technologii tranzystorowej i pojawieniem się układów scalonych zasada ta zaczęła być rzadko stosowana.
Jeśli nie masz pod ręką regulatora o odpowiednim napięciu, może on składać się z dwóch napięć. Całkowite napięcie stabilizacyjne będzie równe sumie tych dwóch napięć.
Ważne! Stabilitronów nie wolno łączyć równolegle w celu zwiększenia prądu roboczego! Zmienność charakterystyki napięciowo-napięciowej doprowadzi do uszkodzenia termicznego jednego stabilizatora, a następnie do uszkodzenia drugiego z powodu zbyt dużego prądu obciążenia.
Chociaż dokumentacja techniczna z czasów radzieckich pozwala równolegle połączenie równoległe W czasach radzieckich dopuszcza się łączenie zer równolegle, ale z zastrzeżeniem, że urządzenia muszą być tego samego typu, a łączna rzeczywista moc rozproszona podczas pracy nie może przekraczać dopuszczalnej dla pojedynczego stabilizatora. Innymi słowy, w tym stanie nie można uzyskać zwiększenia prądu roboczego.
W celu zwiększenia dopuszczalnego prądu obciążenia stosuje się inny obwód. Regulator parametryczny jest uzupełniony tranzystorem w celu utworzenia wzmacniacza emiterowego z obciążeniem w obwodzie emitera i stabilnym napięcie na bazie tranzystora.
W tym przypadku napięcie wyjściowe regulatora będzie niższe od napięcia stabilizacji U o wartość spadku napięcia na złączu emiterowym - dla tranzystora krzemowego około 0,6 V. Aby skompensować tę redukcję, można podłączyć diodę szeregowo ze stabilizatorem w kierunku do przodu.
W ten sposób (przez dołączenie jednej lub kilku diod) napięcie wyjściowe regulatora można regulować w górę w niewielkich granicach. Jeśli konieczne jest radykalnie wyższe Uv, lepiej jest dołączyć kolejną diodę w szereg.
Zakres zastosowań stabilitronu w układach elektronicznych jest ogromny. Przy świadomym podejściu do wyboru to urządzenie półprzewodnikowe pomoże rozwiązać wiele zadań postawionych przed projektantem.
Powiązane artykuły:
