Стабилитроны

Введение

Диоды обычно известны как устройства, которые позволяют протекать току в одном направлении (с прямым смещением) и оказывают сопротивление потоку тока при использовании с обратным смещением. С другой стороны, стабилитрон (названный в честь американского ученого Ч. Зенера, который первым объяснил его принципы работы) не только позволяет протекать ток при прямом смещении, но и пропускает ток при обратном смещении. пока приложенное напряжение выше напряжения пробоя, известного как напряжение пробоя стабилитрона. Другими словами, напряжение пробоя - это напряжение, при котором стабилитрон начинает проводить в обратном направлении.

Принцип работы стабилитрона:

В обычных диодах напряжение пробоя очень высокое, и диод полностью выходит из строя, если приложено напряжение выше пробивного диода, но в стабилитронах напряжение пробоя не такое высокое и не приводит к необратимому повреждению стабилитрона, если напряжение приложено.

Когда обратное напряжение, приложенное к стабилитрону, увеличивается до указанного напряжения пробоя (Vz), через диод начинает течь ток, и этот ток известен как ток стабилитрона, и этот процесс известен как лавинный пробой . Ток увеличивается до максимума и стабилизируется. Этот ток остается постоянным в более широком диапазоне приложенного напряжения и позволяет стабилитрону выдерживать более высокое напряжение без повреждения. Этот ток определяется последовательным резистором.

Рассмотрим приведенные ниже изображения нормального диода в действии.

Чтобы показать работу стабилитрона, рассмотрим два эксперимента (A и B) ниже.

В эксперименте A стабилитрон 12 В подключен с обратным смещением, как показано на рисунке, и можно увидеть, что стабилитрон эффективно блокировал напряжение, потому что оно было меньше / равно напряжению пробоя конкретного стабилитрона и лампы, таким образом остался прочь.

В эксперименте B используемый стабилитрон на 6 В проводит (загорается лампочка) с обратным смещением, потому что приложенное напряжение больше, чем его напряжение пробоя, и, таким образом, показывает, что область пробоя - это область работы стабилитрона.

Вольтамперная характеристика диода Зенера показана ниже.

Из графика можно сделать вывод, что стабилитрон, работающий в режиме обратного смещения, будет иметь довольно постоянное напряжение независимо от величины подаваемого тока.

Применение стабилитрона:

Стабилитроны используются в трех основных приложениях в электронных схемах;

1. Регулировка напряжения

2. Ограничитель формы волны

3. Переключатель напряжения

1. Стабилитрон как регулятор напряжения.

Возможно, это наиболее распространенное применение стабилитронов.

Это применение стабилитронов в значительной степени зависит от способности стабилитронов поддерживать постоянное напряжение независимо от изменений тока питания или нагрузки. Общая функция устройства регулирования напряжения заключается в обеспечении постоянного выходного напряжения на нагрузку, подключенную параллельно к ней, независимо от изменений энергии, потребляемой нагрузкой (ток нагрузки), или изменений и нестабильности напряжения питания.

Стабилитрон будет обеспечивать постоянное напряжение при условии, что ток остается в диапазоне максимального и минимального обратного тока.

Принципиальная схема, показывающая использование стабилитрона в качестве регулятора напряжения, показана ниже.

Резистор R1 соединен последовательно со стабилитроном, чтобы ограничить количество тока, протекающего через диод, а входное напряжение Vin (которое должно быть больше, чем напряжение стабилитрона) подключается, как показано на рисунке, и выходное напряжение Vout., снимается через стабилитрон с Vout = Vz (напряжение стабилитрона). Поскольку характеристики обратного смещения стабилитрона - это то, что необходимо для регулирования напряжения, он подключается в режиме обратного смещения, причем катод подключается к положительной шине цепи.

Необходимо соблюдать осторожность при выборе номинала резистора R1, так как резистор небольшого номинала приведет к большому току диода при подключении нагрузки, и это увеличит требования к рассеиваемой мощности диода, которые могут стать выше, чем максимальная номинальная мощность стабилитрон и может повредить его.

Номинал используемого резистора можно определить по формуле, приведенной ниже.

R ₁ = (V _in - V _Z) / I _Z Где; R1 - значение последовательного сопротивления. Vin - входное напряжение. Vz, который совпадает с Vout, - это напряжение стабилитрона, а Iz - ток стабилитрона.

Используя эту формулу, становится легко гарантировать, что номинал выбранного резистора не приведет к протеканию тока выше, чем может выдержать стабилитрон.

Одна небольшая проблема, с которой сталкиваются схемы стабилизаторов на основе стабилитронов, заключается в том, что стабилитрон иногда генерирует электрические помехи на шине питания, пытаясь регулировать входное напряжение. Хотя это может не быть проблемой для большинства приложений, эту проблему можно решить, добавив к диоду развязывающий конденсатор большой емкости. Это помогает стабилизировать выход стабилитрона.

2. Стабилитрон как ограничитель формы сигнала.

Одно из применений обычных диодов заключается в применении схем ограничения и ограничения, которые представляют собой схемы, которые используются для формирования или изменения формы или сигнала входного переменного тока, создавая выходной сигнал другой формы в зависимости от технических характеристик ограничителя или фиксатора.

Схемы ограничителей обычно представляют собой схемы, которые используются для предотвращения выхода выходного сигнала схемы за пределы заданного значения напряжения без изменения какой-либо другой части входного сигнала или формы волны.

Эти схемы вместе с фиксаторами широко используются в аналоговых телевизионных и FM-радиопередатчиках для устранения помех (схемы ограничения ) и ограничения шумовых пиков путем ограничения высоких пиков.

Поскольку стабилитроны обычно ведут себя как обычные диоды, когда приложенное напряжение не равно напряжению пробоя, они также используются в схемах ограничения.

Схемы ограничения могут быть разработаны для ограничения сигнала в положительной, отрицательной или обеих областях. Хотя диод, естественно, отсекает другую область при 0,7 В, независимо от того, был ли он разработан как положительный или отрицательный.

Например, рассмотрим схему ниже.

Схема ограничителя предназначена для ограничения выходного сигнала на уровне 6,2 В, поэтому использовался стабилитрон на 6,2 В. Стабилитрон предотвращает выход выходного сигнала за пределы напряжения стабилитрона независимо от формы входного сигнала. В этом конкретном примере использовалось входное напряжение 20 В, а выходное напряжение при положительном размахе составляло 6,2 В, что соответствовало напряжению стабилитрона. Однако во время отрицательного колебания напряжения переменного тока стабилитрон ведет себя так же, как обычный диод, и ограничивает выходное напряжение на уровне 0,7 В, как и обычные силиконовые диоды.

Чтобы реализовать схему ограничения для отрицательного размаха цепи переменного тока, а также для положительного размаха таким образом, чтобы напряжение ограничивалось на разных уровнях при положительном и отрицательном размахе, используется схема ограничения с двойным стабилитроном. Принципиальная схема схемы ограничения двойного стабилитрона показана ниже.

В приведенной выше схеме ограничения напряжение Vz2 представляет собой напряжение на отрицательном размахе источника переменного тока, при котором выходной сигнал желательно ограничить, а напряжение Vz1 представляет собой напряжение на положительном размахе источника переменного тока, при котором выходное напряжение желательно обрезать.

3. Стабилитрон как переключатель напряжения.

Сдвигатель напряжения - одно из самых простых, но интересных применений стабилитрона. Если у вас был опыт, особенно с подключением датчика 3,3 В к MCU 5 В, и вы воочию видели ошибки в показаниях и т. Д., Которые могут привести к ним, вы оцените важность переключателей напряжения. Сдвигатели напряжения помогают преобразовывать сигнал из одного напряжения в другое, а способность стабилитрона поддерживать постоянное выходное напряжение в области пробоя делает их идеальным компонентом для работы.

В стабилизаторе напряжения на основе стабилитрона схема понижает выходное напряжение на значение, равное напряжению пробоя конкретного используемого стабилитрона. Принципиальная схема переключателя напряжения показана ниже.

Рассмотрим эксперимент ниже.

Схема описывает стабилизатор напряжения на стабилитроне 3,3 В. Выходное напряжение (3,72 В) схемы получается путем вычитания напряжения пробоя (3,3 В) стабилитрона из входного напряжения (7 В).

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 - 3,3 = 3,7 В

Переключатель напряжения, описанный ранее, имеет несколько применений в проектировании современных электронных схем, так как инженеру-проектировщику, возможно, придется время от времени работать с тремя различными уровнями напряжения в процессе проектирования.

Типы стабилитронов:

Стабилитроны делятся на типы на основе нескольких параметров, которые включают:

1. Номинальное напряжение
2. Рассеяние мощности
3. Прямой ток привода
4. Прямое напряжение
5. Тип упаковки
6. Максимальный обратный ток

Номинальное напряжение

Номинальное рабочее напряжение стабилитрона также известно как напряжение пробоя стабилитрона, в зависимости от области применения, для которой диод будет использоваться, это часто является наиболее важным критерием при выборе стабилитрона.

Рассеяние мощности

Это представляет собой максимальное количество мощности, которое может рассеять ток стабилитрона. Превышение этой номинальной мощности приводит к чрезмерному повышению температуры стабилитрона, что может повредить его и привести к выходу из строя устройств, подключенных к нему в цепи. Таким образом, этот фактор следует учитывать при выборе диода с учетом его использования.

Максимальный ток стабилитрона

Это максимальный ток, который может пройти через стабилитрон при напряжении стабилитрона без повреждения устройства.

Минимальный ток стабилитрона

Имеется в виду минимальный ток, необходимый для начала работы стабилитрона в области пробоя.

Все остальные параметры, которые служат спецификацией для диода, должны быть полностью рассмотрены, прежде чем будет принято решение о типе стабилитрона, необходимого для этой специфической конструкции.

Заключение:

Вот 5 моментов, которые нельзя забывать о стабилитроне.

1. Стабилитрон похож на обычный диод только тем, что он имеет резкое пробивное напряжение.
2. Стабилитрон поддерживает стабильное выходное напряжение независимо от входного напряжения, если не превышается максимальный ток стабилитрона.
3. При прямом смещении стабилитрон ведет себя точно так же, как обычный силиконовый диод. Он проводит с тем же падением напряжения 0,7 В, которое сопровождает использование обычного диода.
4. Рабочее состояние стабилитрона по умолчанию находится в области пробоя (обратное смещение). Это означает, что он фактически начинает работать, когда приложенное напряжение выше, чем напряжение стабилитрона при обратном смещении.
5. Стабилитрон в основном используется в приложениях, связанных с регулированием напряжения, схемами ограничения и переключателями напряжения.