Стабилитроном является специальный диод, работающий в режиме пробоя. При достижении напряжения пробоя обратный ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное сопротивление в области пробоя (отношение изменения тока к вызвавшему это изменение изменению напряжения) составляет единицы-сотни Ом. Если внешнее сопротивление цепи существенно больше динамического сопротивления стабилитрона, то достигается эффект стабилизации напряжения. В международной практике стабилитрон называют
диодом Зенера (zener diode).
Условное обозначение стабилитрона представлено на рисунке ZD.1.
Рисунок ZD.1 - Условное обозначение стабилитрона
Функциональное назначение стабилитрона
Стабилитроны используются в следующих приложениях: - стабилизаторы напряжения и источники опорного напряжения; - ограничители амплитуды; - схемы сдвига уровня напряжения.
Типы стабилитронов
Полупроводниковые стабилитроны разделяются на несколько подклассов: - стабилитроны малой мощности (менее 1 Вт); - силовые стабилитроны (1-5 Вт и выше); - прецизионные стабилитроны (термокомпенсированные стабилитроны и стабилитроны со скрытой структурой); - суппрессоры (TVS-диоды) – специализированные быстродействующие и мощные стабилитроны, предназначенные для защиты от перенапряжений.
Вольтамперная характеристика стабилитрона
В отличие от
диода
основной рабочий участок
стабилитрона
приходится на область пробоя (куда обычный диод вводить никак нельзя) – рисунок ZD.2. Базовая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне представлена на рисунке ZD.3.
Рисунок ZD.2 – Форма вольтамперной характеристики стабилитрона
Рисунок ZD.3 – Базовая схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне
Основные параметры стабилитронов
1. Напряжение стабилизации (Nominal Zener Voltage или Regulator Voltage) VZ – напряжение соответствующее напряжению пробоя обратной ветви стабилитрона. Указывается при определенном токе IZT. 2. Максимальная рассеиваемая мощность (Power Dissipation) Pd – определяется размером кристалла и конструкцией корпуса. В режиме пробоя на стабилитроне выделяется мощность, равная произведению напряжения пробоя, называемом напряжением стабилизации VZ и протекающего под действием этого напряжения обратного тока через него IZT:
Максимально допустимое значение PVS называют максимальной мощностью стабилитрона PVS_max. Максимальная рассеиваемая мощность зависит от температуры окружающей среды – с ростом температуры она уменьшается (эти зависимости представлены в справочных листах). 3. Максимальный рабочий ток (Maximum Zener Current) IZM – определяется исходя из напряжения стабилизации и рассеиваемой мощности:
Импульсный ток через стабилитрон может существенно превышать стационарное значение. В справочных листах обычно приводятся данные по максимальному значению импульсного тока в зависимости от длительности импульса. Иногда в справочных листах приводят значение тестового тока (Test Current) IZT при котором собственно и измеряется номинальное напряжение стабилизации VZ.
4. Дифференциальное сопротивление стабилитрона (Zener Impedance) ZZ есть отношение приращения напряжения в режиме пробоя к приращению тока в точке с заданным (обычно номинальным) током стабилизации. Определяет «нестабильность стабилизации» напряжения в зависимости от тока. В справочных листах обычно приводят динамическое сопротивление при номинальном (иногда максимальном – Maximum Dynamic Impedance) токе и при малом токе (в начале ветви режима пробоя). С ростом тока динамическое сопротивление резко уменьшается. В справочных листах приводят два значения импеданса: ZZT - импеданс при тестовом токе (Test Current IZT) и IZK - импеданс при некотором значении тока существенно меньшем IZT и соответствующем точке перегиба ВАХ (Maximum Dynamic Knee Impedance). Knee – колено.
5. Емкость стабилитрона в режиме обратного смещения. В области малых значений напряжений стабилизации и малых обратных смещений может достигать существенных величин в сотни пикофарад, что необходимо учитывать при проектировании динамических схем ограничения напряжения.
6. Максимальный импульсный ток (Max Surge Current) IZM – максимальный импульсный непериодический ток стабилитрона определяемый энергией рассеяния кристалла. Указывается при заданной длительности импульса.
7. Максимальный обратный ток утечки (Maximum Reverse Leakage Current) IR – ток, протекающий через стабилитрон при некотором обратном напряжении VR не превышающем напряжение стабилизации (обычно в справочных листах указывают ток утечки при VRсоставляющем около 70% от VZ).
8. Падение напряжение прямого смещения (Forward Voltage) VF – падение напряжения при прямом токе через стабилитрон (в режиме диода). Указывается при некотором значении тока и обычно составляет величину порядка 1,2-1,5 В.
9. Температурный коэффициент (Temperature Coefficient) – показывает относительное изменение напряжения стабилизации с изменением температуры %/°C.
10. Максимальный диапазон напряжения стабилизации (Maximum Voltage Regulation) ΔVZ– диапазон напряжения, соответствующий ширине участка ВАХ в области участка стабилизации. То есть насколько изменится напряжение на стабилитроне при изменении тока от величины соответствующей началу пробоя до максимального значения.
9. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance Junction to Ambient) RθJA – тепловое сопротивление между кристаллом стабилитрона и окружающей средой. Зависит от длины выводов стабилитрона. Чем ближе к плате – тем лучше.
10. Точность, характеризующая разброс по величине напряжения стабилизации.
Последовательное включение стабилитронов
Последовательное соединение стабилитронов одной серии используется: - с целью увеличения напряжения стабилизации; - с целью увеличения максимальной мощности стабилизации.
Рисунок ZD.4 - Последовательное включение стабилитронов с целью увеличения напряжения стабилизации
Последовательное соединение стабилитронов одной серии является традиционным способом повышения рабочего напряжения и получения напряжения стабилизации с номиналом, отличающимся от номиналов серийно выпускаемых стабилитронов.
Параллельное соединение стабилитронов не используется из-за рассогласования вольт-амперных характеристик в процессе работы.
