Напряжение стабилизации стабилитрона это

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Стабилитрон. Параметрические стабилизаторы напряжения

Доброго времени суток. Сегодня мой пост о стабилизаторах напряжения. Что же это такое? Прежде всего, любой радиоэлектронной схеме для работы необходим источник питания. Источники питания бывают разные: стабилизированные и нестабилизированные, постоянного тока и переменного тока, импульсные и линейные, резонансные и квазирезонансные. Такое большое разнообразие обусловлено различными схемами, от которых будут работать электронные схемы. Ниже приведена таблица сравнения схем источников питания.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Показатель	Линейный источник питания	Импульсный источник питания
Стоимость	Низкая	Высока
Масса	Большая	Небольшая
ВЧ-шум	Отсутствует	Высокий
КПД	35 — 50 %	70 — 90 %
Несколько выходов	Нет	Есть

Для питания электронных схем, которые не требуют высокой стабильности питающего напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надёжные и дешевые линейные источники напряжения. Основой любого линейного источника напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. Основой таких устройств является элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является стабилитрон.

Стабилитрон представляет собой особую группу диодов, режим работы которых характеризуется обратной ветвью вольт-амперной характеристики в области пробоя. Рассмотрим поподробнее вольт-амперную характеристику диода.

Вольт-амперная характеристика диода

Принцип работы стабилитрона

Когда диод включён в прямом направлении (анод – «+», катод – «–»), то он свободно начинает пропускать ток при напряжении U_пор, а при включении в обратном направлении (анод – «–», катод – «+») через диод может проходить лишь ток I_обр, который имеет значение нескольких мкА. Если увеличивать обратное напряжение U_обр на диоде до определённого значения U_обр.max произойдёт электрический пробой диода и если ток достаточно вели, то происходит тепловой пробой и диод выходит из строя. Диод можно заставить работать в области электрического пробоя, если ограничить ток, который проходит через диод (напряжение пробоя для разных диодов составляет 50 – 200 В).

Стабилитрон же разработан таким образом, что его вольт-амперная характеристика в области пробоя обладает высокой линейностью, а напряжение пробоя достаточно постоянно. Таким образом можно сказать, что стабилизация напряжения стабилитроном осуществляется при его работе на обратной ветви вольт-амперной характеристики, в области же прямой ветви стабилитрон ведёт себя аналогично обыкновенному диоду. Стабилитрон обозначается следующим образом

Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона

Рассмотрим основные параметры стабилитрона по его вольт-амперной характеристике.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Напряжение стабилизации U_ст определяется напряжением на стабилитроне при протекании тока стабилизации I_ст. В настоящее время выпускаютя стабилитроны с напряжением стабилизации от 0,7 до 200 В.

Максимально допустимый постоянный ток стабилизации I_ст.max ограничен значением максимально допустимой рассеиваемой мощности P_max, зависящей в свою очередь от температуры окружающей среды.

Минимальный ток стабилизации I_ст.min определяется минимальным значением тока через стабилитрон, при котором ещё полностью сохраняется работоспособность прибора. Между значениями I_ст.max и I_ст.min вольт-амперная характеристика стабилитрона наиболее линейна и напряжение стабилизации изменяется незначительно.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_СТ – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на приборе ΔU_CT к вызвавшему его малому приращению тока стабилизации Δi_CT.

Стабилитрон, включённый в прямом направлении, как обычный диод, характеризуется значениями постоянного прямого напряжения U_пр и максимально допустимого постоянного прямого тока I_пр.max.

Параметрический стабилизатор

Основная схема включения стабилитрона, которая является схемой параметрического стабилизатора, а также источником опорного напряжения в стабилизаторах других типов приведена ниже.

Схема включения стабилитрона

Данная схема представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного резистора R1 и стабилитрона VD, параллельно которому включено сопротивление нагрузки R_Н. Такой стабилизатор напряжения обеспечивает стабилизацию выходного напряжения при изменении напряжения питания U_П и тока нагрузки I_Н.

Рассмотрим принцип работы данной схемы. Увеличении напряжения на входе стабилизатора приводит к увеличению тока который проходит через резистор R1 и стабилитрон VD. За счёт своей вольт-амперной характеристики напряжение на стабилитроне VD практически не изменится, а соответственно напряжение на сопротивлении нагрузки R_н тоже. Таким образом практически всё изменение напряжение будет приложено к резистору R1. Таким образом достаточно легко подсчитать необходимые параметры схемы.

Расчёт параметрического стабилизатора.

Исходными данными для расчёта для расчёта простайшего параметрического стабилизатора напряжения являются:

входное напряжение U0;

выходное напряжение U1 = U_st – напряжение стабилизации;

Для примера возьмём следующие данные: U0 = 12 В, U1 = 5 В, I_H = 10 мА = 0,01 А.

1. По напряжению стабилизации выбираем стабилитрон типа BZX85C5V1RL (U_st = 5,1 В, дифференциальное сопротивление r_st = 10 Ом).

2. Определяем необходимое балластное сопротивление R1:

3. Определяем коэффициент стабилизации:

4. Определяем коэффициент полезного действия

Увеличение мощности параметрического стабилизатора

Максимальная выходная мощность простейшего параметрического стабилизатора напряжения зависит от значений I_ст.max и P_max стабилитрона. Мощность параметрического стабилизатора может быть увеличена, если в качестве регулирующего компонента использовать транзистор, который будет выступать в качестве усилителя постоянного тока.

Параллельный стабилизатор

Схема ПСН с параллельным включением транзистора

Схема представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору VT включено сопротивление нагрузки R_H. Балластный резистор R1 может быть включён как в коллекторную, так ив эмиттерную цепи транзистора. Напряжение на нагрузке равно

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_CT) на выходе стабилизатора, происходит увеличение напряжения база-эмиттер (U_EB) и коллекторного тока I_K, так как транзистор работает в области усиления. Возрастание коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R1, что компенсирует рост напряжения на выходе стабилизатора (U1 = U_CT). Поскольку ток I_СТ стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21e раз больше, чем в простейшей схеме параметрического стабилизатора. Резистор R2 увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21e, минимальном напряжении питания U0 и максимальном токе нагрузки I_Н.

Коэффициент стабилизации будет равен

где R_VT – входное сопротивление эмиттерного повторителя

где R_e и R_b – сопротивления эмиттера и базы транзистора.

Сопротивление R_e существенно зависит от эмиттерного тока. С уменьшением тока эмиттера сопротивление R_e быстро возрастает и это приводит к увеличению R_VT, что ухудшает стабилизирующие свойства. Уменьшить значение R_e можно за счёт применения мощных транзисторов или составных транзисторов.

Последовательный стабилизаттор

Параметрический стабилизатор напряжения, схема которого представлена ниже, представляет собой эмиттерный повторитель на транзисторе VT с последовательно включённым сопротивлением нагрузки R_H. Источником опорного напряжения в данной схеме является стабилитрон VD.

Схема ПСН с последовательным включением транзистора

Выходное напряжение стабилизатора:

Схема работает следующим образом. При увеличении тока через резистор R_H, а соответственно и напряжения (U1 = U_ST) на выходе стабилизатора происходит уменьшение отпирающего напряжения UEB транзистора и его базовый ток уменьшается. Это приводит к росту напряжения на переходе коллектор – эмиттер, в результате чего выходное напряжение практически не изменяется. Оптимальное значение тока опорного стабилитрона VD определяется сопротивлением резистора R2, включённого в цепь источника питания U0. При постоянном значении входного напряжения U0 базовый ток транзистора I_B и ток стабилизации связаны между собой соотношением I_B + I_ST = const.

Коэффициент стабилизации схемы

где R_k – сопротивление коллектора биполярного транзистора.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения может быть существенно увеличен при введении в его схему отдельного вспомогательного источника с U’0 > U1 и применении составного транзистора.

Схема ПСН с составным транзистором и питанием стабилитрона от отдельного источника напряжения

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Что такое стабилитрон

Стабилитрон — это специальный полупроводниковый диод, работающий в режиме пробоя и предназначенный для стабилизации напряжения. В зарубежной литературе стабилитрон называют диодом Зенера (Zener diode), по имени Кларенса Зенера, который открыл один из механизмов электрического пробоя. Вообще существует тунельный, лавинный и тепловой пробои. На первых двух стабилитроны работают, а от последнего они выходят из строя. Но о пробоях мы рассуждать не будем, нам нужно понять, что такое стабилитрон, каков принцип его работы и как его можно использовать.

Обозначение стабилитрона

На электрических схемах стабилитрон обозначается символом диода с небольшой закорючкой у катода и буквенным обозначением VD.

Также существуют другие варианты обозначений стабилитрона, которые используются на зарубежных схемах.

Как видно из рисунка, у стабилитрона два вывода — это катод и анод. Следовательно, есть всего два варианта его включения:

— включение в прямом направлении, когда анод подключается к плюсу питания, а катод к минусу,
— включение в обратном направлении, когда анод подключается к минусу питания, а катод к плюсу.

В прямом включении стабилитрон ведет себя как обычный диод, а вот в обратном включении в стабилитроне возникает тот самый пробой. Чтобы понять, что при этом происходит, давайте посмотрим на вольтамперную характеристику стабилитрона.

Как работает стабилитрон

Правая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено напряжение в прямом направлении. Левая часть графика — характеристика стабилитрона, к которому приложено обратное напряжение. Похожа на характеристику диода, но пробой (участок, где загибается график) у стабилитрона наступает гораздо раньше диода. Нас интересует левая часть графика.

Вот мы подключили стабилитрон к источнику питания в обратном направлении и начинаем медленно повышать напряжение. Пока приложенное напряжение меньше напряжения пробоя, оно растет, через стабилитрон течет незначительный ток утечки Io (микроамперы, а то и меньше), пробоя нет. На этом участке стабилитрон ведет себя как резистор с очень большим сопротивлением.

В какой-то момент ток начнет возрастать, а напряжение замедлит свой рост — это значит что возникает начальная стадия пробоя стабилитрона. Его сопротивление падает, что можно наблюдать по «загибанию» вольтамперной характеристики.

При дальнейшем повышении напряжения источника питания, ток через стабилитрон будет увеличиваться значительно, а напряжение нет. Стабилитрон ведет себя как резистор с маленьким сопротивлением. Это рабочий участок характеристики, где напряжение на стабилитроне, грубо говоря, постоянно.

Снова повышаем напряжение, ток продолжает расти, стабилитрон начинает греться. Когда ток превысит максимально допустимое значение, стабилитрон перегреется и выйдет из строя.

Если не доводить дело до теплового пробоя, а снизить напряжение до нуля — вольтамперная характеристика повторится в обратном направлении.

Параметры стабилитрона

Какие параметры характеризуют стабилитрон? Базовые параметры — это напряжение стабилизации, минимальный ток стабилизации и мощность рассеяния.

Напряжение стабилизации Uст (в зарубежной литературе Uz, zener voltage) — это, грубо говоря, рабочее напряжение стабилитрона. А если по умному, то это напряжение на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации.

Как правило, стабилитроны одного типа имеют небольшой разброс напряжения стабилизации, поэтому в документации указывается минимальное, номинальное и максимальное напряжение стабилизации при заданной температуре и токе.

Минимальный ток стабилизации Iст мин (Iz) — величина тока, при которой стабилитрон «выходит» на свой рабочий участок вольтамперной характеристики. По сути, это точка с которой начинается «излом» характеристики.

Мощность рассеяния стабилитрона P — параметр определяющий максимально допустимый ток стабилитрона. Если принять, что напряжение на стабилитроне в рабочем режиме не меняется, то максимальный ток можно вычислить как P/Uст. Также можно прикинуть максимальный ток в прямом направлении P/Uf = P / 0,7. Мощность рассеяния стабилитрона зависит от его конструкции корпуса (и площади p-n перехода). Обычно этот параметр указывается в разделе «absolute maximum ratings».

Схема включения стабилитрона

Типовая схема включения стабилитрона — это схема простого стабилизатора напряжения. Она включает в себя стабилитрон и резистор для ограничения тока (источник питания и нагрузка на схеме не нарисована). На вход схемы подается нестабилизированное постоянное напряжение большее напряжения стабилизации на несколько вольт, на выходе схемы получается стабилизированное напряжение равное Uz (напряжению стабилизации) используемого стабилитрона.

Такой стабилизатор напряжения можно использовать для питания мало потребляемых схем, потому что из-за резистора он не способен «отдать» в нагрузку большой ток.

Как видно из рисунка, входной ток распределяется между стабилитроном и нагрузкой. Если нагрузка не потребляет ток, стабилитрон «забирает» весь ток на себя, и при большом его значении может перегореть. Если ток нагрузки становиться большим, то стабилитрону «достается» меньше току, напряжение на нем падает и он уже не может выполнять свои функции.

Номинал резистора R1 рассчитывается по формуле:

R = (Uin — Uz)/(Iz + I)

где Uin — входное напряжение (В),
Uz — номинальное напряжение стабилизации (В),
Iz — ток стабилитрона (А),
I — ток нагрузки (А).

Ток стабилитрона Iz нужно выбирать между минимальным и максимальным значениями, исходя из изменений входного напряжения и тока нагрузки. Минимальный ток стабилизации задается в документации, а максимальный ток можно посчитать из максимальной рассеиваемой мощности.

Как работает стабилитрон

Немного теории

Стабильная зарплата, стабильная жизнь, стабильное государство. Последнее не про Россию, конечно :-). Если глянуть в толковый словарик, то можно толково разобрать, что же такое “стабильность”. На первых строчках Яндекс мне сразу выдал обозначение этого слова: стабильный – это значит постоянный, устойчивый, не изменяющийся.

Но чаще всего этот термин используется именно в электронике и электротехнике. В электронике очень важны постоянные значения какого-либо параметра. Это может быть сила тока, напряжение, частота сигнала и другие его характеристики. Отклонение сигнала от какого-либо заданного параметра может привести к неправильной работе радиоэлектронной аппаратуры и даже к ее поломке. Поэтому, в электронике очень важно, чтобы все стабильно работало и не давало сбоев.

В электронике и электротехнике стабилизируют напряжение. От значения напряжения зависит работа радиоэлектронной аппаратуры. Если оно изменится в меньшую, или даже еще хуже, в большую сторону, то аппаратура в первом случае может неправильно работать, а во втором случае и вовсе колыхнуть ярким пламенем.

Для того, чтобы не допустить взлетов и падения напряжения, были изобретены различные стабилизаторы напряжения. Как вы поняли из словосочетания, они используются чтобы стабилизировать “играющее” напряжение.

Стабилитрон или диод Зенера

Самым простым стабилизатором напряжения в электронике является радиоэлемент стабилитрон. Иногда его еще называют диодом Зенера. На схемах стабилитроны обозначаются примерно так:

Вывод с “кепочкой” называется также как и у диода – катод, а другой вывод – анод.

Стабилитроны выглядят также, как и диоды. На фото ниже, слева популярный вид современного стабилитрона, а справа один из образцов Советского Союза

Если присмотреться поближе к советскому стабилитрону, то можно увидеть это схематическое обозначение на нем самом, указывающее, где у него находится катод, а где анод.

Напряжение стабилизации

Самый главный параметр стабилитрона – это конечно же, напряжение стабилизации. Что это за параметр?

Давайте возьмем стакан и будем наполнять его водой…

Сколько бы воды мы не лили в стакан, ее излишки будут выливаться из стакана. Думаю, это понятно и дошкольнику.

Теперь по аналогии с электроникой. Стакан – это стабилитрон. Уровень воды в полном до краев стакане – это и есть напряжение стабилизации стабилитрона. Представьте рядом со стаканом большой кувшин с водой. Водой из кувшина мы как раз и будем заливать наш стакан водой, но кувшин при этом трогать не смеем. Вариант только один – лить воду из кувшина, пробив отверстие в самом кувшине. Если бы кувшин был меньше по высоте, чем стакан, то мы бы не смогли лить воду в стакан. Если объяснить языком электроники – кувшин обладает “напряжением” больше, чем “напряжение” стакана.

Так вот, дорогие читатели, в стакане заложен весь принцип работы стабилитрона. Какую бы струю мы на него не лили (ну конечно в пределах разумного, а то стакан унесет и разорвет), стакан всегда будет полным. Но лить надо обязательно сверху. Это значит, напряжение, которое мы подаем на стабилитрон, должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона.

Маркировка стабилитронов

Для того, чтобы узнать напряжение стабилизации советского стабилитрона, нам понадобится справочник. Например, на фото ниже советский стабилитрон Д814В:

Ищем на него параметры в онлайн справочниках в интернете. Как вы видите, его напряжение стабилизации при комнатной температуре примерно 10 Вольт.

Зарубежные стабилитроны маркируются проще. Если приглядеться, то можно увидеть незамысловатую надпись:

5V1 – это означает напряжение стабилизации данного стабилитрона составляет 5,1 Вольта. Намного проще, не так ли?

Катод у зарубежных стабилитронов помечается в основном черной полосой

Как проверить стабилитрон

Как же проверить стабилитрон? Да также как и диод! А как проверить диод, можно посмотреть в этой статье. Давайте же проверим наш стабилитрон. Ставим мультиметр на прозвонку и цепляемся красным щупом к аноду, а черным к катоду. Мультиметр должен показать падение напряжения прямого PN-перехода.

Меняем щупы местами и видим единичку. Это значит, что наш стабилитрон в полной боевой готовности.

Ну что же, настало время опытов. В схемах стабилитрон включается последовательно с резистором:

где Uвх – входное напряжение, Uвых.ст. – выходное стабилизированное напряжение

Если внимательно глянуть на схему, мы получили ни что иное, как Делитель напряжения. Здесь все элементарно и просто:

Или словами: входное напряжение равняется сумме напряжений на стабилитроне и на резисторе.

Эта схема называется параметрический стабилизатор на одном стабилитроне. Расчет этого стабилизатора выходит за рамки данной статьи, но кому интересно, в гугл 😉

Итак, собираем схемку. Мы взяли резистор номиналом в 1,5 Килоом и стабилитрон на напряжение стабилизации 5,1 Вольта. Слева цепляем блок питания, а справа замеряем мультиметром полученное напряжение:

Теперь внимательно следим за показаниями мультиметра и блока питания:

Так, пока все понятно, еще добавляем напряжение… Опа на! Входное напряжение у нас 5,5 Вольт, а выходное 5,13 Вольт! Так как напряжение стабилизации стабилитрона 5,1 Вольт, то как мы видим, он прекрасно стабилизирует.

Давайте еще добавим вольты. Входное напряжение 9 Вольт, а на стабилитроне 5,17 Вольт! Изумительно!

Еще добавляем… Входное напряжение 20 Вольт, а на выходе как ни в чем не бывало 5,2 Вольта! 0,1 Вольт – это ну очень маленькая погрешность, ей можно даже в некоторых случаях пренебречь.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Думаю, не помешало бы рассмотреть Вольт амперную характеристику (ВАХ) стабилитрона. Выглядит она примерно как-то так:

Iпр – прямой ток, А

Uпр – прямое напряжение, В

Эти два параметра в стабилитроне не используются

Uобр – обратное напряжение, В

Uст – номинальное напряжение стабилизации, В

Iст – номинальный ток стабилизации, А

Номинальный – это значит нормальный параметр, при котором возможна долгосрочная работа радиоэлемента.

Imax – максимальный ток стабилитрона, А

Imin – минимальный ток стабилитрона, А

Iст, Imax, Imin – это сила тока, которая течет через стабилитрон при его работе.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода (стабилитрон подключают катодом к плюсу, а диод катодом к минусу), то и рабочая область будет именно та, что отмечена красным прямоугольником.

Как мы видим, при каком-то напряжении Uобр у нас график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит такая интересная штука, как пробой. Короче говоря, он не может больше наращивать на себе напряжение, и в это время начинается возрастать сила тока в стабилитроне. Самое главное – не переборщить силу тока, больше чем Imax , иначе стабилитрону придет кердык. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрона считается режим, при котором сила тока через стабилитрон находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона (пометил красным кружком).

Заключение

Раньше, во времена дефицитных деталей и начала расцвета электроники, стабилитрон часто использовался, как ни странно, для стабилизации выходного напряжения блока питания. В старых советских книгах по электронике можно увидеть вот такой участок цепи различных источников питания:

Слева, в красной рамке, я пометил знакомый вам участок цепи блока питания. Здесь мы получаем постоянное напряжение из переменного. Справа же, в зеленой рамке, схема стабилизации ;-).

В настоящее время трехвыводные (интегральные) стабилизаторы напряжения вытесняют стабилизаторы на стабилитронах, так как они в разы лучше стабилизируют напряжение и обладают хорошей мощностью рассеивания.

На Али можно взять сразу целый набор стабилитронов, начиная от 3,3 Вольт и до 30 Вольт. Выбирайте на ваш вкус и цвет.

Можете посмотреть видео на тему “КАК РАБОТАЕТ СТАБИЛИТРОН (ДИОД ЗЕНЕРА)”, рекомендую.

Как работает стабилитрон.

Для любого стабилитрона, падение напряжение на одном из его диодов равно примерно 0.7 вольт, а падение напряжение на другом зависит от выбранного стабилитрона, так как разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 вольт). Например, для BZX55C3V3 прямое падение напряжение равно 0.7 вольта, а напряжение пробоя, по нашей аналогии падение напряжения на втором диоде, равно 3.3 вольта.

Описанное выше становится более понятно если посмотреть на вольт — амперную характеристику(ВАХ) стабилитрона.

Правая ветвь ВАХ аналогична ВАХ диода, а левая отвечает за тот самый туннельный пробой. Пока обратное напряжение не достигло напряжения пробоя, ток через стабилитрон практически не течёт, не считая утечки. При дальнейшем увеличении обратного напряжения, в определенный момент начинается пробой, он характеризуется загибом ВАХ. Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к туннельному пробою, в этом состоянии ток через стабилитрон растёт, а напряжение нет.

Отличительной чертой туннельного пробоя является, его обратимость, то есть после снятия приложенного напряжение стабилитрон вернётся в исходное состояние. Если же максимально допустимый ток будет превышен и произойдёт тепловой пробой, стабилитрон выйдет из строя.

Простейшая схема стабилизатора на стабилитроне выглядит следующим образом.

На осциллограмме видно, что напряжение на стабилитроне изменяется от -0,88 до 3,04 вольта.

Для того чтобы понять почему так происходит, давайте заменим схему выше двумя эквивалентными.
При прямом включения стабилитрона, когда на аноде плюс, на катоде минус.

До этого мы не учитывали величину сопротивление нагрузки. Прежде чем рассматривать как поведёт себя схема под нагрузкой, необходимо ознакомиться с основными характеристиками стабилитрона.

• Vz — напряжение стабилизации, обычно указывается минимальное и максимальное значение
• Iz и Zz — минимальный ток стабилизации и сопротивление стабилитрона
• Izk и Zzk — ток и сопротивление в точке, где начинается «излом» характеристики
• Ir и Vr — обратный ток и напряжение при заданной температуре
• Tc — температурный коэффициент
• Izrm — максимальный ток стабилизации

Что же произойдёт когда мы подключим нагрузку?
Ток, протекающий через стабилитрон уменьшиться, так как часть его потечёт через нагрузку. Вопрос в том насколько уменьшится, если ток через стабилитрон станет меньше минимального тока стабилизации стабилитрон перестанет стабилизировать напряжение и всё напряжение питания окажется приложенным к нагрузке. Из этого можно сделать вывод, что при отключенной нагрузке ток через стабилитрон должен быть равен сумме 2-х токов, минимального тока стабилизации и тока нагрузки.
Эта сумма токов задается с помощью гасящего резистора, в нашей схеме его номинал 1К.

Формула для его вычисления выглядит следующим образом

Стабилитрон. Особенности практического применения.

Рассказано о назначении и применении стабилитронов, как проверить их исправность и основные параметры, чем и как можно заменить.

Сердцем практически любого стабилизатора напряжения является стабилитрон. Его основная функция поддерживать постоянное напряжение на выходе при изменении напряжения на входе. Информации на эту тему очень много. Я постараюсь ее систематизировать и подать максимально коротко, только то, что нужно для практики.

На схемах обозначаются так:

Выглядят, в основном, вот так:

Стабилитрон — специально изготовленный диод с особой воль-амперной характеристикой. Показать ее и пояснить нужно обязательно, для понимания принципа работы. Вот как она выглядит для обычного стабилитрона, например, Д814:

Когда на анод подают плюс, а на катод минус, то стабилитрон ведет себя как обычный диод. На рисунке прямая ветвь. При возрастании напряжения ток растет. Когда плюс подают на катод, а минус на анод, т.е. включают в обратном направлении, то характеристика стабилитрона, зависимость тока через него от приложенного напряжения, тоже кардинально меняется. Это хорошо видно по форме обратной ветви характеристики. Когда напряжение на стабилитроне достигает напряжения пробоя, cтабилитрон пробивается, но не перегорает, так как ток через него ограничен резистором. Этот резистор называется балластным. Если не будет этого резистора, или его номинал подобран не правильно, то стабилитрон выйдет из строя. Величина сопротивления этого резистора подбирается таким образом, чтобы в диапазоне изменения входных напряжений ток через стабилитрон не выходил за допустимые для данного стабилитрона пределы Iст min Iст max. При этом напряжение на стабилитроне остается постоянным и равно напряжению стабилизации. Его величина для каждого типа стабилитрона своя. У двуханодных стабилитронов прямая ветвь такая же как и обратная только расположена справа вверху. В схемах двуханодный стабилитрон можно включать независимо от полярности входного напряжения. Это удобно для ограничения переменного напряжения по амплитуде.

Типовая схема включения стабилитрона на конкретном примере:

Параметры стабилитрона КС182 указаны в справочнике:

Напряжение стабилизации стабилитрона 8,2В. При этом ток стабилизации может изменяться от 3мА до 17мА.

Как правило, в расчетах рекомендуют брать минимальное напряжение на входе в 1,5 раза выше напряжения стабилизации. Получаем 12,3 В. Максимальное примем исходя из допустимого разброса напряжения сети 20%. Получаем 14,73 В. Номинал резистора по закону Ома можно посчитать вручную, но в интернете много онлайн калькуляторов для решения таких задач, например, вот этот:

При таких заданных параметрах получим ток в нагрузке от 0 до 12 мА, что соответствует максимальной мощности 0,1 Вт.

Сопротивление балластного резистора 340 Ом, его мощность 0,125 Вт.

Мощность стабилитрона 0,156 Вт.

Мощность, рассеиваемая на резисторе и стабилитроне, составляет в сумме 0,28 Вт. При этом мощность в нагрузке 0,1 Вт. КПД получается 36%. При больших мощностях это не рационально.

Теперь основные моменты из практики.

1. Как проверить исправность стабилитрона? Обычный стабилитрон проверяется как диод, т.е. прозванивается мультиметром и должен обладать односторонне проводимостью. Другое дело, стабилитрон двухстронний (или двуханодный) или стабилитрон с защитным диодом. Их прозвонить как диод не удастся. Они показывают обрыв в обе стороны. Проверяются только по методике, указанной в следующем пункте.
2. Проверка напряжения стабилизации. Перед проверкой нужно определиться с мощностью стабилитрона. Это можно сделать по внешнему виду. Если стабилитрон малых размеров и выводы тонкие, то это малая мощность с током стабилизации от 3 до 20 мА. Если корпус чуть больше и выводы толще, то это средняя мощность и ток стабилизации до 90 мА. Ну а мощный стабилитрон имеет большие размеры и возможность установки на радиатор. У него ток стабилизации до ампера и выше.

Есть еще одна особенность. Чем выше напряжение стабилизации стабилитрона, тем меньше ток стабилизации, так как определяющей в этом случае является рассеиваемая стабилитроном мощность. Так что для стабилитронов малой и средней мощности при проверке достаточно тока 10 мА, для большой мощности 20-30мА. Поэтому для большинства проверок стабилитронов с напряжением стабилизации до 30В берем резистор 1-2 кОм и через него подключаем катод стабилитрона к плюсу регулируемого блока питания, анод соответственно к минусу.

Параллельно стабилитрону подключаем вольтметр. От нуля плавно повышаем напряжение и следим за показаниями вольтметра. Как только они перестали расти при увеличении напряжения блока питания снимаем показания вольтметра. Если напряжение перестало расти при значениях около 1В, значит перепутан анод и катод стабилитрона. Нужно их поменять местами и повторить процедуру. Значение напряжения, при котором прекратились увеличиваться показания вольтметра, и есть напряжение стабилизации. У двуханодных оно будет одинаковым при смене полярности подключения. У стабилитрона с диодом напряжение стабилизации при неправильном включении будет достаточно высоким, на практике выше напряжения блока питания. Теоретически оно будет равно обратному напряжению диода. Можно применять для проверки и нерегулируемый блок питания напряжением выше предполагаемого напряжения стабилизации стабилитрона. При подключении, как на схеме, измеренное напряжение на стабилитроне будет равно напряжению стабилизации стабилитрона. Если показания вольтметра равны напряжению блока питания, значит стабилитрон включен наоборот или имеет напряжение стабилизации выше напряжения блока питания.

1. В некоторых случаях очень важным параметром является температурный коэффициент напряжения стабилизации. Например, в автомобильном реле-регуляторе, которое управляет величиной напряжения в бортсети автомобиля. Если оно будет сильно изменяться в зависимости от температуры в моторном отсек, то выйдет из строя электрооборудование автомобиля. Следующий наглядный пример. В телевизорах и радиоприемниках в блоке формирования напряжения настройки на частоту принимаемого сигнала также недопустима зависимость напряжения от температуры, иначе сигнал будет плавать и пропадать. Именно поэтому в реле-регуляторах применяют стабилитроны типа Д818Е, а в блоках настройки телевизоров КС531. У первых температурный коэффициент составляет +0,001 %/град, у вторых ±0,005%/град. В то время, как у других, например, КС182 о которых упоминалось в начале статьи, температурный коэффициент составляет около 0,1 %/град. Это почти в 100 раз хуже. как правило, стабилитроны с хорошим температурным коэффициентом содержат внутренний диод, катод которого соединен с катодом стабилитрона. Температурный коэффициент этого диода имеет знак противоположный температурному коэффициенту самого стабилитрона. Таким образом достигается высокая температурная стабильность напряжения стабилизации.

Пока проверяемый стабилитрон подключен для проверки напряжения стабилизации по схеме п.2 этой статьи, можно его выводы подогреть паяльником, немного, градусов до 60-70 и понаблюдать за изменением напряжения на вольтметре. Разница между термостабильным стабилитроном и обычным будет очень заметна.

1. То, что основное назначение стабилитрона поддерживать постоянное напряжение на нагрузке при изменении входного напряжения и тока нагрузки уже понятно. Но тут есть особенность. Для эффективного выполнения этих задач, мощность нагрузки реально не должна превышать 30% от мощности, рассеиваемой на балластном резисторе и стабилитроне. Об этом уже было сказано в начале статьи. Для увеличения КПД и тока в нагрузке применяют транзисторы. Наиболее простая схема:

Если ток стабилитрона 10мА, а коэффициент усиления транзистора по току 100 раз, то ток в нагрузке будет 10х100=1000мА. Установив параллельно стабилитрону переменный резистор можно напряжение стабилизации в нагрузке изменять от нуля почти до максимального значения напряжения стабилизации стабилитрона.

1. Чем можно заменить стабилитрон или изменить напряжение стабилизации?

Обычный кремниевый диод включенный в прямом направлении может выполнять функции стабилитрона напряжением около 0,7 В. Для увеличения напряжения диоды можно включать последовательно с такими же диодами или стабилитроном, напряжение которого нужно немного увеличить. Германиевый диод, при прямом включении, стабилизирует напряжение около 0,5 В, светодиод, в зависимости от типа 2…3,2 В.

Примеры показаны ниже на фото:

Кремниевые транзисторы в диодном включении также могут выполнять функции стабилитрона напряжением 5…6 В. Причем можно использовать последовательное подключение транзистора с диодами, нескольких транзисторов, как показано ниже:

Если есть маломощный стабилитрон на нужное напряжение, а нужен более мощный, то можно использовать такую аналогию ( где VD1 маломощный стабилитрон):

R2 – балластный резистор. Напряжение стабилизации схемы равно напряжению стабилизации стабилитрона плюс напряжение б-э транзистора (0,7В у кремниевых и 0,5В у германиевых). Максимальный ток стабилизации схемы равен току стабилитрона, умноженному на коэффициент усиления транзистора по току (h₂₁). Используя такие схемы нельзя допускать превышения значений параметров применяемых элементов.

Если нужны высоковольтные стабилитроны на напряжения 120…180В (КС620А, КС630А, КС650А, КС680А), то можно использовать такие схемы:

Как источник стабильного тока используют германиевые диоды Д220, Д220А, Д219А которые имеют низкое дифференциальное сопротивление при обратном включении и обратном токе 0,1…10 мА. Понятно, что напряжение применяемого транзистора должно быть выше 180 В.

Материал статьи продублирован на видео: